單原子催化劑因具有較大的原子利用效率、量子尺寸效應(yīng)和活性中心的配位不飽和構(gòu)型，在催化領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，單原子催化劑在燃料電池、電解水和金屬-空氣電池等可再生能源技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展。然而，單原子催化劑的活性位點數(shù)量有限，催化劑合成過程相對復(fù)雜，且大多數(shù)用于合成單原子催化劑載體的化學(xué)品價格昂貴、毒性大，限制了單原子催化劑的實際生產(chǎn)應(yīng)用。同時，由于金屬與載體之間的弱相互作用，這些具有高表面能的單原子在制備過程中也容易發(fā)生遷移和聚集。因此，探索環(huán)境友好、廉價且高效的載體以及高金屬載量催化劑的制備工藝，對于合成雙金屬單原子催化劑十分重要。

近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員梁漢璞帶領(lǐng)能源材料與納米催化研究組，在利用可循環(huán)再生的生物質(zhì)制備單原子的基礎(chǔ)上（Carbon），提出一種價格低廉、環(huán)保且可大規(guī)模生產(chǎn)的Fe/Pt雙單原子催化劑的制備策略（圖1）。該方法以富含鐵的可再生生物質(zhì)紫菜作為原材料，在不添加任何鐵源的情況下，紫菜利用自身毛細(xì)管吸附作用吸收含氮溶液達(dá)到飽和狀態(tài)，再經(jīng)過高溫?zé)峤饧纯傻肍e-N-C前驅(qū)體。之后，在水溶液中通過Fe-N-C的微孔捕獲和氮錨定作用可以實現(xiàn)對Pt4+的強錨定，得到Fe/Pt雙單原子催化劑（Fe1Pt1/NC）。該催化劑具有較高的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e和Pt的負(fù)載量分別高達(dá)0.166 wt% 和2.29 wt%。研究表明，第二種金屬原子Pt的引入增加了催化劑的活性位點數(shù)量，F(xiàn)e1Pt1/NC中的Fe和Pt均為單原子態(tài)（圖2），以FeN4和PtN4的結(jié)構(gòu)形成活性中心，使得催化劑具有優(yōu)于Fe-N-C前驅(qū)體和商業(yè)Pt/C催化劑的氧還原反應(yīng)和析氫反應(yīng)的催化活性。該研究為利用可再生生物質(zhì)設(shè)計高活性的多功能單原子電催化劑提供了有效途徑?！　∠嚓P(guān)研究成果發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。研究工作得到中科院人才項目基金、大連清潔能源國家實驗室和中科院科研創(chuàng)新基金、青島創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才基金、大連化物所-青島能源所兩所融合項目基金以及中科院綠色過程制造創(chuàng)新研究院項目基金的支持。

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圖1.Fe1Pt1/NC雙單原子催化劑的合成路徑

圖2.Fe1Pt1/NC和Fe1/NC的球差電鏡和EXAF表征圖