单金属中心催化剂因其独特的配位环境和可调节的反应物吸附和电子转移的局部结构而显示出高效的电催化性能。它们在许多电化学反应中得到了广泛的研究，包括氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)。然而，实现高效的单金属活性中心的双功能催化(ORR/OER)仍然是一个巨大的挑战。
基于此，纽约州立大学布法罗分校武刚教授，西安交通大学柳永宁教授，谭强，西北工业大学Feng Liu报道了一种Fe、Co共掺杂的分子筛咪唑骨架衍生的原子分散Fe−Co双金属中心（FeCo-NC），旨在为双功能ORR/OER催化剂建立多个活性中心。
文章要点
1）首先，通过Zn2+和2-MI在甲醇溶液中的组装过程，采用化学掺杂的方法将不同摩尔比的Fe3+和Co2+离子引入到ZIF-8分子筛中。经过热解处理后，Fe和Co共掺杂的ZIF-8前驱体转化为原子分散的、氮配位的嵌入在碳骨架中的单金属中心。此外，在ZIF-8前驱体中只掺杂了一种金属(如Fe或Co)，并通过相同的工艺制备了参比催化剂。
2）原子分散的FeCo−NC催化剂在碱性介质中用于ORR（E1/2 = 0.877 V）和OER (Ej=10 = 1.579 V)均表现出优异的双功能催化活性。此外，其在ORR和OER过程中的出色稳定性可与贵金属催化剂（Pt/C和RuO2）相媲美。
3）采用先进的物理表征和密度泛函理论（DFT）计算方法对双金属位点FeCo−NC的原子分散态、配位结构和电荷密度差进行了表征和测定。FeCo−N6可能同时是催化氧化还原和氧化还原的主要活性中心，相对于传统的单一Fe和Co中心催化剂，其性能有所改善。
4）研究人员进一步将FeCo−NC催化剂引入到空气电极中，制备了可充电和柔性的Zn−空气电池，实现了优异的功率密度（372 mW cm−2）和长循环（超过190 h）的稳定性。
这项工作有望为设计和合成原子分散的先进电催化用多金属中心催化剂提供一种有效途径。
参考文献
Yuting He, et al, Atomically Dispersed Fe−Co Dual Metal Sites as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable and Flexible Zn−Air Batteries, ACS Catal. 2022
DOI: 10.1021/acscatal.1c04550
https://doi.org/10.1021/acscatal.1c04550
