[Angew] P区原子分散的Sb催化剂用于ORR
通讯作者：焦丽芳教授；方方教授
氧还原反应（ORR）是燃料电池、金属空气电池等电化学储能和转换装置中的重要反应。目前，铂基催化剂仍然是ORR体系最常用的催化剂，但其应用受到贵金属稀缺性和稳定性较差的困扰。作为贵金属催化剂强有力的新兴替代品，单原子催化剂（SACs）因其最大的原子利用率和可调节的电子性质而在近年来备受科研人员的关注。由于离域的s/p带，主族（s和p区）金属通常被认为是无催化活性的。最近的研究证明，通过对单金属M-Nx构型的工程化设计，可以激活主族（s-和p-区）金属或完全占据d10构型的TM中的s/p电子，从而获得优异的催化活性。因此，制备高活性和高稳定性的p-区原子级分散金属催化剂对于ORR应用至关重要。
图1.（a）Sb SAC形成的示意图；（b）Sb SAC的SEM图像；（c-h）Sb SAC的TEM图像和Sb SAC的HAADF-STEM图像和EDS元素。
基于此，南开大学化学学院焦丽芳教授和复旦大学材料科学学院方方教授合作成功合成了一种具有Sb-N4构型的p区锑单原子催化剂（SbSAC）用于催化氧还原反应（ORR）。所得的Sb SAC表现出优异的ORR活性，半波电位为0.86 V，稳定性优异，优于许多基于过渡金属（TM，d-区）的SAC和商业Pt/C。实验和理论计算均表明：活性催化位点是带正电荷的Sb-N4单金属位点，具有封闭的d壳。态密度（DOS）结果揭示了SbSAC中原子分散的Sb阳离子的p轨道可以很容易地与O2-p轨道相互作用形成杂化态，促进电荷转移并为氧中间体产生适当的吸附强度，降低能垒和调节速率决定步骤。这项工作揭示了用于高活性ORR的p区Sb金属催化剂的原子级制备，并进一步为其他主族金属SAC的合理设计提供了有价值的指导。相关工作以“P-block atomicallydispersed antimony catalyst for highly efficient oxygen reduction reaction”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。
图2. Sb NPs、N/C-1000、20 wt% Pt/C和Sb SAC的（a）LSV曲线和（b）相应E1/2和Jk（E=0.85 V）；（c）不同催化剂的电位依赖Jk；（d）各种催化剂的LSV曲线的Tafel图；（e）Sb SA和Pt/C催化剂在0.9 V和0.85 V下的活性；（f）Sb SAC在不同转速下的LSV曲线；（g）Sb SAC和Pt/C催化剂的电子转移数和H2O2产率；（h）Sb SAC在0.1 M KOH中5000次CV循环前后的LSV曲线；（i）Sb SAC和Pt/C的甲醇交叉测试的计时电流曲线。
参考文献：
Tongzhou Wang, Xuejie Cao, Hongye Qin, LongShang, Siyu Zheng, Fang Fang, Lifang Jiao, P-block atomically dispersedantimony catalyst for highly efficient oxygen reduction reaction, Angew. Chem.Int. Ed. 2021, https://doi.org/10.1002/anie.202108599.