科技日报记者 王祝华 通讯员 梁淑仪
记者5月14日从海南大学获悉，该校海洋科学与工程学院海洋清洁能源创新团队，在高性能碳负载金属单原子催化剂研究方面取得新进展。该团队首次揭示了一种氧配位的铬单原子催化剂，为深入理解氧配位单原子催化剂的反应机制提供了关键证据。相关研究成果近日发表在《德国应用化学》期刊上。
海洋科学与工程学院副研究员罗俊明介绍，氧还原反应在燃料电池中起着关键作用，但缓慢的反应速率成为提升燃料电池性能的主要障碍。目前，铂是性能非常优异的氧还原反应催化剂，但其高昂的成本和有限的储量，使其难以大规模应用。因此，研发成本低廉且高效的非贵金属氧还原反应催化剂变得极为迫切。
碳负载金属单原子催化剂作为极具潜力的氧还原反应催化剂，其氧还原反应活性和选择性受与中心金属原子配位的杂原子影响显著。近年来，通过修饰与中心金属原子配位的杂原子来调控碳负载金属单原子催化剂的活性和选择性成为研究策略。此前研究表明，氧配位的碳负载金属单原子催化剂倾向于促进2电子氧还原反应，而非燃料电池更期望的4电子氧还原反应。因此，设计有利于4电子氧还原反应的氧配位碳负载金属单原子催化剂是一大挑战。
为探究这一机制，研究团队制备了一种Cr(cac)-NC-650催化剂，并通过球差电镜、电子能量损失谱、同步辐射、X射线光电子能谱以及红外等多种表征手段证实了该催化剂的中心Cr原子由两个O原子配位。实验数据显示，该催化剂不仅在酸性介质中展现出优异的氧还原反应活性与稳定性，而且在质子交换膜燃料电池中同样表现出优异性能和稳定性。
研究团队还运用密度泛函理论的计算方法，揭示了位于碳载体锯齿形边缘的Cr-O₂结构，正是Cr(acac)-NC-650催化剂的氧还原反应活性位点。通过理论计算和实验验证的双重确认，团队为设计用于质子交换膜燃料电池的碳负载金属单原子催化剂开辟了新途径。
