摘要：近十年来，单原子催化剂（SACs）以其高反应活性和最大化原子利用率而得到了广泛的关注。多孔碳材料由于其优异的导电性、大比表面积、丰富的杂原子掺杂（N、S、P等）和高的稳定性等优点，被认为是SACs的理想载体。通常，碳负载的SACs是在传统的电加热管式炉中对含有
苏州大学方剑教授、王哲副教授&西南石油大学颜贵龙博士：微波加热高效、普适地制备氮掺杂碳纳米纤维负载的单原子催化剂
近十年来，单原子催化剂（SACs）以其高反应活性和最大化原子利用率而得到了广泛的关注。多孔碳材料由于其优异的导电性、大比表面积、丰富的杂原子掺杂（N、S、P等）和高的稳定性等优点，被认为是SACs的理想载体。通常，碳负载的SACs是在传统的电加热管式炉中对含有目标金属的有机前驱体进行高温热解得到。然而，传统加热方法通常遭受加热效率低，如升温速度满（2-10 ℃ min-1）和保温时间长（通常在800-1000 ℃下保温数小时）等问题。延长的高温处理不仅加剧了金属原子的聚集（烧结），而且极大地增加了时间和能量消耗。因此，开发更高效、可控的碳化方法制备碳负载SACs是非常可取的，但仍然具有挑战性。鉴于此，苏州大学方剑教授团队利用静电纺丝和可控微波加热技术，在氮掺杂的分级多孔碳纳米纤维上快速合成一系列原子级分散的过渡金属（M-TM/NPCNFs, TM = Fe, Co, Ni， FeCo和FeNi）。这种微波加热技术可以实现超快的加热速度（5分钟内升温至900℃），从而极大地抑制金属物种的随机迁移和聚集。同时，与传统加热方法相比，极大地降低了时间和能量消耗。作为概念证明，Fe单原子催化剂（M-Fe/NPCNFs-900）在碱性介质中表现出显著的氧还原反应（ORR）活性，同时作为锌空气电池阴极，也展示了优异的电化学性能。相关研究内容以“Controllable Microwave Heating for Energy-Efficient and Universal Synthesis of Atomically Dispersed Metals on Nitrogen-Doped Carbon Nanofibers”为题目发表于期刊《Small》上。
图1：M-Fe/NPCNFs催化剂的制备过程和不同加热方法的对比。
图2：M-Fe/NPCNFs-900和T-Fe/NPCNFs-900的形貌表征。
扫描电镜和透射电镜证实了微波加热制备的M-Fe/NPCNFs-900具有多孔纳米纤维结构，球差电镜进一步证实了Fe的原子级分散状态。 XPS证明了M-Fe/NPCNFs-900中具有很高的Fe-N和石墨氮含量，同步辐射进一步揭示了Fe原子的配位结构为Fe-N4。然而，传统加热方法制备的T-Fe/NPCNFs-900,其透射电镜图像中可以观察到金属Fe纳米颗粒的存在。
图3：M-Fe/NPCNFs-900的键价和配位结构。
图4：M-Fe/NPCNFs-900的电催化ORR性能和理论计算。
图5：M-Fe/NPCNFs-900在锌空气电池中的性能。
M-Fe/NPCNFs-900在碱性介质中（0.1 M KOH）的半波电位是0.88V。此外，M-Fe/NPCNFs-900作为阴极催化剂，在锌空电池中展示了大的放电比容量（801 mAh g-1）、高的功率密度（169.6 mW cm-2） 和长循环耐久性（超过1000小时）。
图6：M-TM/NPCNFs (TM = Co, Ni, FeCo, and FeNi)的球差电镜图像。
球差电镜图像证实了，除了Fe SACs，这种微波加热合成策略还可以被扩展到制备Co和Ni基SACs，以及FeCo和FeNi基双原子催化剂。这些结果表明了我们的微波加热工艺在制备不同金属和金属合金SACs中的普适性, 为在碳纳米纤维上快速合成高性能SACs提供了新思路。
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通讯作者简介：
方剑教授：国家级高层次青年人才，苏州大学纺织与服装工程学院特聘教授，博士生导师。2009年在澳大利亚迪肯大学（Deakin University）获得材料工程博士学位。长期从事柔性可穿戴智能纺织品、纳米纤维、功能性纤维材料和高性能纺织品研究。2020年入选江苏省“双创人才”。现任中国纺织工业联合会纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室主任，中国纺织工程学会青年工作委员会委员，中国工程院院刊Engineering青年通讯专家，Advanced Fiber Materials和eScience青年编委。
迄今已在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nature Communications, Small, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental等国际学术期刊发表文章100余篇，学术著作3部，编辑图书1部，图书章节8章。
王哲副教授：工学博士，苏州大学特聘副教授。2017年获得苏州大学博士学位，2016年至2017年于新加坡国立大学（NUS）联合培养博士（合作导师：Seeram Ramakrishna教授（中国工程院外籍院士）），2017年至2022年于新加坡南洋理工大学（NTU）从事博士后研究工作（合作导师：Fan Hong Jin教授、Lu Xuehong 教授），2022年9月受聘于苏州大学纺织与服装工程学院。主要从事功能型微纳米纤维材料及单/双原子催化剂在能源存储/转换、水分解与环境保护等领域的研究工作。至今以第一/通讯或共同作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Appl. Catal. B, Small等期刊发表SCI论文30余篇，被引用3000余次，其中5篇入选ESI高被引论文；授权国家发明专利3项；曾获得江苏省优秀博士学位论文、中国纺织工程学会优秀博士学位论文等奖项。目前担任Exploration、ChemPhysMater等期刊青年编委。
颜贵龙博士：西南石油大学讲师，毕业于澳大利亚迪肯大学先进前沿材料研究中心, 并获得博士学位，研究方向为柔性储能材料。四川省海外高层次留学人才。主持国家自然科学基金一项、四川省科技厅重点专项一项、四川省科技厅面上项目一项。截止目前共发表SCI论文50余篇，总被引次数超过500次。参与编辑静电纺丝相关专著2部，授权中国发明专利5项。
来源：科学屎壳郎
