北京化工大学应用电化学研究所（IAEC）万平玉、唐阳课题组采用高温热激发焙烧策略（thermo-triggering strategy），将液相吸附的Fe组分与高温刻蚀商业铜箔逸出的Cu组分共掺杂进入ZIF8衍生缺陷碳材料中，利用Cu到Fe之间存在高效电子输运，及丰富的微介孔结构，构建了一种适用于全pH条件下高效4电子转移活性的ORR电催化剂，可用于促进金属空气电池及燃料电池阴极反应过程。硕士研究生杨海超和博士研究生谢鳌为该论文共同第一作者。

氧气还原反应（Oxygen Reduction Reaction，ORR）存在动力学缓慢、过电位大的问题。近年来，非贵金属Fe、N掺杂的碳基材料（Fe-N-C）被广泛研究用于ORR电催化领域，以替代贵金属基催化剂。以沸石咪唑骨架材料（Zeolite-imidazole frameworks，ZIFs）中ZIF8为代表的前驱体，由于具备灵活可调的Fe掺杂途径、丰富的活性N来源和充足的孔隙结构等优点，极大地促进了衍生Fe-N-C材料ORR活性的提升。然而，以Fe-Nx活性位点为主的Fe掺杂ZIF8（Fe-ZIF8）衍生Fe-N-C材料目前难以支持全pH条件下4电子ORR过程高效进行。

针对上述问题，如图1所示，课题组首先采用简单易行的水相合成得到Fe-ZIF8，将此前驱体置于商业铜片上进行程序高温焙烧-退火处理。该过程中，Fe能够有效刻蚀铜片表面，逸出的Cu组分能被Fe-ZIF8衍生的高缺陷度碳基底捕获，从而成功合成一种Fe-Cu共掺杂ZIF8衍生多孔碳材料（Cu/Fe-NC）。研究证实该Cu/Fe-NC得益于Fe-ZIF8衍生出的高比表面积及丰富的介微孔结构，使得掺杂的Cu-Nx及Fe-Nx组分之间存在明显的协同效果；此外，存在于Cu纳米颗粒到Cu-Nx以及Cu组分到Fe组分间的电子转移特性（如图2所示），进一步增强了全pH下4电子转移ORR活性。Cu/Fe-NC最终显示出酸、中、碱性条件下半波电位分别达到0.80V（V vs. RHE，下同）、0.76V和0.92V，H₂O₂比例分别小于2.4%、0.2%和1.1%。

本工作具有水相合成前驱体绿色便捷、无需模板，高温热激发焙烧策略简单可靠、铜片可重复利用，且无需对焙烧后催化剂进一步酸洗除杂等特点，与作为基准的Pt/C催化剂相比在全pH半电池性能上、碱性-中性锌空气电池效果上（如图3所示）均具有显著优势。本工作通过调制双金属引入方式及构建缺陷化碳基捕获平台，为未来合成种类丰富、活性可调的功能化碳基电催化剂提供了有益参考。

论文信息：

Fe-ZIF8 Coating Cu Foil Derived Carbon as A pH-universal Electrocatalyst for Efficient Oxygen Reduction Reaction

Haichao Yang, Ao Xie, Yang Tang, Zixiang Wang, Jinpeng Zhang, Lingpo Kong, Peng Song, Yanzhi Sun, Xiaojin Yang, Pingyu Wan

Chemistry – A European Journal 

DOI: 10.1002/chem.202103275