新兴的单原子中心（SAS）催化剂被认为是最有希望用于阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）氧还原反应（ORR）的铂替代电催化剂。而SAS中的金属负载直接影响整个器件的性能。

近日，黑龙江大学付宏刚教授，Lei Wang采用双氮源协同策略设计并合成了一种负载在三维氮掺杂碳纳米管/石墨烯纳米结构上的高密度Cu SAS（Cu-NC/GC）。

文章要点

1）首先，用聚醚酰亚胺(PEI)对氧化石墨烯(GO)进行改性，然后与碳纳米管(CNTs)形成三维网络结构。随后，甲酰胺和甘氨酸的双氮源被锚定在GO-PEI-CNTs载体上，随后与0.9 mmol Cu²⁺源配位。最后，对其进行冷冻干燥，然后在900 °C的惰性环境下进行热解，以获得Cu-NC/GC。

2）像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)结合XAS光谱证实了分散在掺氮碳载体上的负载量为5.61 wt%的Cu SAS主要是Cu-N₄构型。

3）在碱性介质中，Cu-N-C/GC催化剂显示0的高起始电位（E_onset），这比相应的单一氮源衍生的催化剂高得多。进一步组装的H₂/O₂ AEMFC可以提供0.9 V的开路电压，324 mW cm^-1的峰值功率密度，以及出色的稳定性。

4）Operando XAS光谱显示了ORR过程中Cu−N₄到Cu−N₄/Cu纳米团簇(NC)再到Cu−N₃/Cu-NC的连续结构转变，可以调整金属原子的d带中心，平衡ORR速率决定步骤的竞争。

参考文献

Gengyu Xing, et al, Reconstruction of Highly Dense Cu−N₄ Active Sites in Electrocatalytic Oxygen Reduction Characterized by Operando Synchrotron Radiation, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

DOI: 10.1002/anie.202211098

https://doi.org/10.1002/anie.202211098