燃料電池、金屬-空氣電池等可再生能源轉(zhuǎn)換和儲能技術(shù)對解決當前具有挑戰(zhàn)性的全球環(huán)境和能源問題至關(guān)重要。通過氧還原反應(yīng)（ORR）電化學(xué)還原氧分子是這些技術(shù)的核心。近幾十年來，稀有而昂貴的鉑族金屬（PGM）催化劑已被用于顯著加速酸性介質(zhì)中遲緩的四電子ORR途徑。為了降低成本，非PGM負載的氮摻雜碳催化劑（MNC）被開發(fā)出來，然而由于對此類催化劑的大量研究在很大程度上是重疊的，因此很少有額外的發(fā)現(xiàn)和基本的見解。

基于此，復(fù)旦大學(xué)李峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)傅正平和蔚山國家科學(xué)技術(shù)學(xué)院Baek Jong-Beom（共同通訊）等人報道了一種用于電化學(xué)氧還原的錫（Sn）納米簇催化劑，將1 ~ 1.5 nm的Sn納米團簇原位固定在平均孔徑為0.7 nm的微孔氮摻雜碳多面體中（Sn_xNC）。

Sn_xNC中的Sn_x與NC載體有很強的相互作用，形成Sn-N鍵。Sn_xNC的催化性能顯著提高，與Pt/C的催化性能相當，并優(yōu)于已報道的其他FeNC催化劑。電化學(xué)和理論分析的結(jié)果表明，不同尋常的催化活性與空間受限的Sn納米團簇有關(guān)，它們具有良好的氧吸附性能。Sn基的單原子催化劑與Sn單原子錨定在摻雜氮的碳納米片作了明確的比較，Sn_xNC在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出很高的催化性能，包括正的起始電位和半波電位，可與最先進的Pt/C相媲美并遠遠超過Sn單原子催化劑的性能。

此外，用計時安培法評估了Sn_xNC對甲醇的抗中毒性和ORR電化學(xué)穩(wěn)定性。與 Pt/C 不同，Sn_xNC沒有觀察到顯著的ORR 電流變化，顯示其對甲醇中毒的高抗性。同時，電流-時間曲線也證實了Sn_xNC 良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過長期測試后該曲線顯示出輕微的衰減。結(jié)構(gòu)和理論的綜合分析表明，Sn_xNC催化劑體系具有高催化活性是因為Sn納米團簇具有良好的氧吸附能力，而不是因為Sn單原子。

本文報道了一種Sn基納米團簇約束催化劑，Sn納米團簇的平均孔徑為0.7 nm，穩(wěn)定地包裹在微孔氮摻雜的碳多面體（Sn_xNC）中用于高效電化學(xué)氧還原，理論分析表明，Sn納米團簇約束催化劑體系具有較高的靜電勢和良好的吸氧性能，催化性能得到顯著改善。本工作不僅介紹了一種性能優(yōu)異的無鉑基金屬納米簇催化劑，而且為合理設(shè)計和合成高效的催化劑作出了貢獻。

Tin nanoclusters confined in nitrogenated carbon for the oxygen reduction reaction, ACS Nano, 2022, DOI: 10.1021/acsnano.2c07589.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c07589.