第一作者：黄凯、张乐、徐婷

    通讯作者：伍晖、刘利民、张潇源、葛炳辉

    通讯单位：清华大学、北京航空航天大学、安徽大学

    研究亮点：

    1. 创造性地在60 °C低温下通过溶液法合成了原子级分散钴基催化剂。

    2. 制备策略具有良好的普适性，可有效调控溶液形核过程的热力学和动力学。

    3.  所制备的催化剂具有高活性、高稳定性和高器件功率输出。

    原子级分散催化剂的优势

    由于活性组分的高度分散、金属利用效率的大幅度提升以及活性中心与相邻配位原子相互作用，单原子催化剂或原子级分散金属催化剂在诸如CO氧化反应、有机加氢反应和氧还原反应等过程中表现出优异的活性、稳定性和选择性。因此，单原子催化剂或原子级分散金属催化剂的有效合成及应用，是近年来催化和材料研究领域非常重要的研究方向。

    溶液合成原子级分散催化剂的难点

    溶液合成作为制备金属及其化合物等固体材料的制备方法，具体过程一般均涉及到原子级分散金属基团的快速产生、聚集、形核与生长，从而严重限制了溶液中超细纳米晶体甚至于原子级分散金属的形成。因此，如何有效调控形核过程对于溶液合成原子级分散金属催化剂就显得尤为重要且颇具挑战性。

    成果简介

    有鉴于此，清华大学伍晖课题组联合北航刘利民课题组、清华大学张潇源课题组和安徽大学葛炳辉课题组，创造性地在溶液体系中将反应温度降低至-60摄氏度，解决了溶液合成过程中的原子快速团聚、形核和生长的关键问题，获得了具有高活性、高稳定性和高器件功率输出的原子级分散金属钴基的氧还原电催化剂，为大规模溶液合成原子级分散金属催化剂提供了崭新的研究思路。

图1 零下六十摄氏度和室温溶液合成中形核调控的对比示意图

    要点1：制备要素

    1.  以水/乙醇作为溶剂，在-60°C条件下不会结冰冻住。

    2. 以水合肼作为还原剂。

    3. 适合于Co、Pt、Fe、Ag等多种金属。

    4. 在-30至60℃则会不同程度地形成较多团簇或纳米颗粒。

    要点2：制备原理

    与传统的微流控工程、表面活性剂调控以及模板法等研究策略不同，研究团队利用低温溶液环境中显著提高合成产物的形核势垒，降低产物形核动力学速率，实现了溶液合成策略中金属原子形核过程的动力学和热力学调控，提出了一种更加基础和通用的低温溶液合成稳定的原子级分散金属催化剂的策略 （图1）。

    要点3：优异的电化学性能

    低温溶液合成并经高温活化稳定的原子级分散金属钴基催化剂与传统团簇/纳米颗粒催化剂和商业Pt/C相比，在中性（0.05 M PBS磷酸缓冲液）和碱性（0.1M KOH）的电解液环境中，都表现出显著提高的氧还原催化活性和稳定性。进一步在微生物燃料电池器件应用中，也表现出了远超前期文献报道的功率密度（2550 ± 60 mW m-2）和长达820小时的稳定运行（图2），能够同时实现污水处理与高性能产电。

图2 原子级分散金属催化剂的微生物燃料电池性能

    小结

    总之，作者成功在？60 °C下通过液相法合成了高性能原子级分散金属钴催化剂。该低温溶液合成不仅提出了一种在湿化学合成反应过程中抑制产物形核生长的通用方法，更为进一步理解溶液反应的形核热力学和动力学、并利用传统溶液化学方法制备高性能催化材料提供了新的可行性。

    参考文献：

    Huang K, ZhangL, Xu T, et al. ?60 °C solution synthesis of atomically dispersed cobalt electrocatalyst with superiorperformance. Nature Communications, 2019.

    DOI:10.1038/s41467-019-08484-8

    https://www.nature.com/articles/s41467-019-08484-8#article-info

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责任编辑：殷鹏飞

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