NatureCatalysis：Fe-N-C单原子催化剂助力高性能质子交换膜燃料电池
为了实现美国能源部为质子交换膜燃料电池无铂催化剂设定的2018目标，催化剂低活性位点密度的问题必须要克服。在此，华中科技大学的徐铭和北京航空航天大学的水江澜团队设计并制备了一类凹面Fe-N-C单原子催化剂（图1）[1]，该类催化剂有着高的比表面积和介孔率，因此可以满足美国能源部设定的2018无铂催化剂催化活性目标：在1.0bar的H2-O2状况和0.88ViR-free的条件下，电流密度达到了0.047Acm-2（图2）。这个优异的性能源于催化剂有着高的活性位点密度，这是通过暴露不易接近的Fe-N4基团（即是增加利用率）并提高催化剂层质量传输而实现的。除此之外，作者还建立了材料的“构效关系”，从而为设计高效实用的“无铂催化剂”提供了借鉴。
图1Fe-N-C单原子催化剂的制备流程
图2质子交换膜燃料电池性能表征
AdvancedScience：实用化再提速！质子交换膜燃料电池用高载量Fe单原子催化剂！
对于催化质子交换膜燃料电池的氧还原反应（ORR）而言，铁单原子催化剂（FeSACs）是最著名的非贵金属（NPM）催化剂，但是较低的催化剂负载量（<2wt%）严重地限制了其实际应用。基于此，澳大利亚科廷大学蒋三平，北京航空航天大学卢善富和美国橡树岭国家实验室的YangShi-ze团队采用一锅热解的方法制备了石墨烯负载的铁单原子催化剂（FeSA-G）（图3）[2]，其具有着超高的铁单原子负载量（≈7.7±1.3wt%）。在酸性电解液中进行ORR测试发现，FeSA-G的起始电位为0.950V，半波电位为0.804V，这个表现媲美Pt/C催化剂且其有着更高的稳定性及对磷酸阴离子的容忍力。在230℃下，采用铁单原子负载量为0.3mgcm-2的FeSA-G作为正极的质子交换膜燃料电池表现出了325mWcm-2的峰值功率密度，这比Pt载量为1mgcm-2的Pt/C正极（313mWcm-2）性能更好（图4）。此外，采用FeSA-G作为正极材料的燃料电池比采用Pt/C作为正极的电池表现出了更加优异的稳定性。该工作也为开发可实际应用于燃料电池的非贵金属催化剂提供了新的路径。
图3Fe单原子催化剂的形貌与微观结构
图4燃料电池的电性能
AdvancedMaterials：骨架卟啉衍生的单原子Co-Nx-C双功能（ORR&OER）电催化剂用于Zn-空气电池
高性能双功能的氧的电催化是促进清洁可持续能源通过电化学设备（如可充电的Zn-空气电池）进行广泛利用的关键技术。由于单原子电催化剂有着最大的原子利用效率，它极有可能取代现在广泛使用的贵金属基的电催化剂。然而，过渡金属单原子的制备却很有挑战性，它需要通过创新地设计原则来对前驱体进行广泛地尝试。在本文里，清华大学的张强团队创新性地设计并制备了一种全共价键构筑的钴配位的骨架卟啉与石墨烯的混合物，该混合物可以作为前驱体以制备单原子Co-Nx-C电催化剂（图5）[3]。测试发现，与贵金属基的电催化剂相比，单原子Co-Nx-C催化剂无论是在催化氧的还原和析出反应还是应用在可充电的Zn-空气电池（减小过电势，改善动力学特新和延长循环稳定性）都表现出了优异的电化学性能（图6）。此外，作者也提出了多尺度材料的设计原则并对材料的机理进行了详尽合理的研究。该研究工作不仅为制备高性能单原子电催化剂提供了一种全新的前驱体，也可以激发研究人员尝试开发新材料和新应用。
图5单原子Co-Nx-C催化剂的材料表征
图6单原子Co-Nx-C催化剂作为Zn空气电池正极材料的电化学性能
AdvancedFunctionalMaterials：高效的Zn-空气电池电催化剂之单原子Fe-Nx-C
高效的非贵金属电催化剂对于金属-空气电池而言至关重要。然而，设计并探索高效的非贵金属电催化剂仍然是一个巨大的挑战。在此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的孙春文和北京科技大学的李志鹏团队通过在ZIF-8生长的过程中原位地将Fe-Phen结合在纳米笼子中并通过后续热解的方法制备出了非贵金属单原子Fe-Nx-C电催化剂（图7）[4]。Fe-Phen可以同时提供Fe2+和有机配体（Phen），这对于制备Fe-Nx-C单原子催化剂有着重要的作用。在催化氧还原反应（ORR）的测试中，Fe-Nx-C表现出了0.91V的半波电位，高于商业Pt/C催化剂（0.82V）。当其作为一次Zn-空气电池正极催化剂时，该电池表现出了优异的电化学性能（高达1.51V的开路电位和96.4mWcm-2的功率密度）。当应用在二次Zn-空气时，电池显示出了极好的循环性能（长达300h）和高的初始效率（59.6%）。进一步地，其还可以应用在全固态Zn-空气电池中并展示出了高达1.49V的开路电位，长达120h的循环寿命级可折叠特性（图8）。该单原子Fe-Nx-C电催化剂也很有希望应用在其他类型的金属-空气电池及燃料电池里。
图7单原子Fe-Nx-C电催化剂的材料表征
图8全固态可折叠的Zn空气电池
AdvancedMaterials：氮掺杂石墨烯负载Ni单原子促进Li-S电池快速反应
图9Ni@NG材料的制备过程及表征
图10Li-S电池的电化学性能
InfoMat：原子级分散的Co-N-C电催化剂加快锂硫电池中含硫物质的氧化还原反应动力学
图11Co-N-C电催化剂的表征
图12Co-N-C电催化剂的催化性能及Li-S电池的电化学性能
AdvancedFunctionalMaterials：高效催化CO2还原的N配位不饱和单原子Cu-N2催化剂用于Zn-CO2电池
图13石墨烯负载的Cu-N2催化剂材料表征
图14Zn-CO2电池的电化学性能
ACSSustainableChemistryandEngineering：富氮中空碳球负载的Co-Nx-C催化剂用于染料敏化太阳能电池催化三碘化物还原
最近，在染料敏化太阳能电池（DSSCs）领域，中空碳球（hCSs）被认为很有希望成为一种低成本的催化三碘化物还原的正极催化剂。然而，与传统的Pt基电极相比，中空碳球基的电极仍然存在很多问题。在此，中国石油大学的李永峰团队通过煅烧吸附钴离子的富氮中空共聚物球合成出了富氮中空碳球负载的Co-Nx-C催化剂（Co-N-hCSs）（图15）[8]。循环伏安曲线，电化学阻抗谱和塔菲尔极化曲线测试表明Co-N-hCSs材料有着优异的电催化活性以及电化学稳定性（图16）。Co-N-hCSs材料优异的催化活性可归因于原子级分散的高本征催化活性的Co-Nx-C基团以及稳健的富氮中空碳球结构。因此，采用Co-N-hCSs作为电极的染料敏化太阳能电池展示出了优异的能源转换效率（7.71%），这堪比Pt基的染料敏化太阳能电池（7.65%），甚至更优秀。这表明Co-N-hCSs非常有希望作为高效催化剂应用在染料敏化太阳能电池里。
图15Co-N-hCSs合成示意图
图16Co-N-hCSs的电性能表征
ChemicalEngineerJournal：纳米多孔石墨烯负载的原子级分散的Co-Nx-C电催化剂高效催化三碘化物还原
图17原子级分散的Co-Nx-C电催化剂的材料表征
图18原子级分散的Co-Nx-C电催化剂的电性能表征
[1]X.Wan,X.Liu,Y.Li,R.Yu,L.Zheng,W.Yan,H.Wang,M.Xu,J.Shui,Fe–N–Celectrocatalystwithdenseactivesitesandefficientmasstransportforhigh-performanceprotonexchangemembranefuelcells,NatureCatalysis,2(2019)259-268.
[2]Y.Cheng,S.He,S.Lu,J.P.Veder,B.Johannessen,L.Thomsen,M.Saunders,T.Becker,R.DeMarco,Q.Li,S.Z.Yang,S.P.Jiang,IronSingleAtomsonGrapheneasNonpreciousMetalCatalystsforHigh-TemperaturePolymerElectrolyteMembraneFuelCells,AdvSci(Weinh),6(2019)1802066.
[3]B.Q.Li,C.X.Zhao,S.Chen,J.N.Liu,X.Chen,L.Song,Q.Zhang,Framework-Porphyrin-DerivedSingle-AtomBifunctionalOxygenElectrocatalystsandtheirApplicationsinZn-AirBatteries,AdvMater,31(2019)1900592.
[4]J.Han,X.Meng,L.Lu,J.Bian,Z.Li,C.Sun,Single‐AtomFe‐Nx‐CasanEfficientElectrocatalystforZinc–AirBatteries,AdvancedFunctionalMaterials,29(2019)1808872.
[5]L.Zhang,D.Liu,Z.Muhammad,F.Wan,W.Xie,Y.Wang,L.Song,Z.Niu,J.Chen,SingleNickelAtomsonNitrogen-DopedGrapheneEnablingEnhancedKineticsofLithium-SulfurBatteries,AdvMater,(2019)1903955.
[6]B.Q.Li,L.Kong,C.X.Zhao,Q.Jin,X.Chen,H.J.Peng,J.L.Qin,J.X.Chen,H.Yuan,Q.Zhang,J.Q.Huang,Expeditingredoxkineticsofsulfurspeciesbyatomic‐scaleelectrocatalystsinlithium–sulfurbatteries,InfoMat,(2019)1-9.
[7]W.Zheng,J.Yang,H.Chen,Y.Hou,Q.Wang,M.Gu,F.He,Y.Xia,Z.Xia,Z.Li,B.Yang,L.Lei,C.Yuan,Q.He,M.Qiu,X.Feng,AtomicallyDefinedUndercoordinatedActiveSitesforHighlyEfficientCO2Electroreduction,AdvancedFunctionalMaterials,(2019)1907658.
[8]W.Yang,X.Xu,L.Hou,Z.Li,B.Deng,J.Tian,F.Yang,Y.Li,Nitrogen-EnrichedHollowCarbonSpheresCoupledwithEfficientCo–Nx–CSpeciesasCathodeCatalystsforTriiodideReductioninDye-SensitizedSolarCells,ACSSustainableChemistry&Engineering,7(2018)2679-2685.
[9]W.Yang,Z.Li,X.Xu,L.Hou,Y.Tang,B.Deng,F.Yang,Y.Wang,Y.Li,AtomicN-coordinatedcobaltsiteswithinnanomeshgrapheneashighlyefficientelectrocatalystsfortriiodidereductionindye-sensitizedsolarcells,ChemicalEngineeringJournal,349(2018)782-790.