第一作者：周荃、杨岳
通讯作者：薛同、刘一蒲、李华
通讯单位：北方民族大学，海南大学，兰州大学
【研究亮点】
1. 合成了富石墨氮碳 (graphitic NC) 骨架为载体的Fe3C氧还原催化剂，Fe3C纳米颗粒（6-10 纳米）被碳层包覆。
2. Fe3C@NC复合材料中，氮具有多种存在形式，DFT计算表明，石墨氮具有最高的活性。
3. 通过在碳骨架中增加石墨氮的含量，提高了Fe3C@NC 的ORR反应活性。
【研究背景】
将金属基催化活性材料与氮掺杂碳结构相结合是设计高性能电催化剂的有效策略。碳骨架中的氮对于调节复合材料的电子结构方面具有重要作用。氮在碳结构中存在不同的形式，然而，氮的不同存在形式对整体催化活性的贡献程度依旧是不明确的。
鉴于此，最近北方民族大学薛同，海南大学刘一蒲和兰州大学李华合作研发了一种以石墨氮为主要存在形式的Fe3C@NC复合材料，这一材料表现出优异的ORR活性和稳定性。实验和理论计算均证实了NC对Fe3C性能的促进作用。此外，石墨氮在不同的氮存在形式中表现出最高的催化活性，有效地减少了ORR反应中从O2到*OOH的能垒。将该Fe3C@NC复合材料应用于锌空气电池的空气阴极，其开路电压可达1.48 V，功率密度为155.6 mW cm-2，且比容量为798 mAh gZn-1。该研究表明，Fe3C和氮掺杂碳在促进ORR催化剂的性能方面具有协同作用，且石墨氮有助于提高Fe3C@NC的ORR活性。
【图文简介】
图1. Fe3C@NC的形貌表征及其元素分布。
要点1. ZIF-8衍生的氮掺杂碳具有石墨层结构，Fe3C纳米颗粒被包裹在石墨层中。Fe3C纳米颗粒的催化行为有助于碳化物周围石墨层的生长。HAADF Fe证实了Fe元素主要存在于Fe3C@NC的Fe3C纳米颗粒中。
图2.晶体结构和化学态分析。
图3. 表面结构的ORR的DFT理论计算。
要点2. 通过XPS定量分析中，石墨氮在NC中占主导地位。DFT理论计算表明，石墨氮与吡啶氮和吡咯氮相比，表现出最高的ORR性能。
图4.Fe3C@NC在碱性体系中的ORR性能。
图5. 使用Fe3C@NC作为锌空气电池阴极的性能表征。
要点3. 电化学数据表明，Fe3C@NC电极表现出优秀的ORR活性。组装锌空电池性能和其它铁基催化剂的锌空电池表现出更低的过电位，更高的输出电压和功率密度（见图五中的雷达图）。
【小结】
Fe3C@NC的ORR活性是由以下三个因素造成的。
1、Fe3C本征活性。
2、Fe3C和NC之间的协同效应: 被包裹的Fe3C纳米颗粒通过相互的电子作用激活周围的石墨层，使石墨层的外表面对ORR具有活性。
3、石墨氮在NC中的主导地位为Fe3C@NC复合材料贡献了最高的ORR活性。
【原文链接】
Graphitic-Nitrogen-Enriched Carbon Skeleton with Embedment of Fe3C for Superior Performance Air Cathode in Zinc-air Battery, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101194
【作者简介】
薛同，副教授，北方民族大学材料科学与工程学院，硕士生导师。民建宁夏第八届委员会委员，民建北方民族大学支部主委。本硕均毕业于兰州大学化学化工学院，导师：力虎林教授。2013年9月毕业于新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院，获得哲学博士学位。导师：Lee Jong Min副教授。2002-2013年任职于宁夏大学化学化工学院，2014年全职进入北方民族大学材料科学与工程学院从事教学科研工作。主要从事水系金属离子电池，水系混合电容器以及金属-空气电池等电化学储能材料及器件的设计开发等基础及应用研究。近年来，主持及参与多项国家级及省部级科研项目，并获得中科院“西部之光”人才培养项目资助。目前在Chem. Eng. J, J. Energy Chem., Mater Today Energy, J. Power Sources, Ind. Eng. Chem. Res., Chem. Eng. Sci. 等杂志上发表研究论文20余篇，授权发明专利2项。
刘一蒲，海南大学副教授、硕士生导师。博士毕业于吉林大学，2019年入选国家“博士后国际交流计划派出项目”，合作导师为吉林大学邹晓新教授和新加坡南洋理工大学范红金教授。2021年入职海南大学。以一作/并列一作/通讯联系人身份在Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等期刊发表论文10余篇，参与发表论文30余篇，总引用超过5000次。
李华，高级工程师，兰州大学材料与能源学院, 硕士生导师。2006年毕业于兰州大学化学化工学院分析化学专业，师从力虎林教授。主要研究方向为：纳米功能材料的可控合成、原子尺度超微结构电子显微学表征及其在电化学催化领域和光催化领域的应用研究。迄今在ACS Catalysis, Biosensors&Bioelectronics, J. Energy Chem., Separation and Purification Technology, Nanoscale, Sensors and Actuators B: Chemical, Chemical Communications等国际期刊上发表科研论文30余篇。获批国家发明专利3项。主持及主要参与科研项目包括：国家自然科学基金重点项目、国际地区合作项目、面上项目、省部级科研项目、企业横向项目等。
