近日，我校广东省分布式能源系统重点实验室、广东高校非粮生物质高效热解利用工程技术研究中心纳米材料与催化团队在新能源单原子催化剂研究中取得重要进展，相关研究成果以“Atomically dispersed Mn–Nx catalysts derived from Mn-hexamine coordination frameworks for oxygen reduction reaction”(论文链接：https://doi.org/10.1002/cey2.484) 为题发表在化学、能源、材料领域国际权威期刊《Carbon Energy》（中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”）。化学工程与能源技术学院钟国玉副教授为第一作者，廖文波特聘教授和华南理工大学彭新文教授为主要通讯作者，傅小波教授参与了论文的指导和研究工作。
过渡金属-氮-碳 (M-N-C) 催化剂通过配位氮固定单原子活性中心，因其优异的氧还原电催化性能，被认为是最有希望替代铂基贵金属催化剂用于燃料电池和金属空气电池。为了获得不同的M-N-C，目前最流行的方法是热解掺杂其他金属 (M) 的沸石咪唑酯骨架材料 (ZIF-8)。然而，该方法很难设计出不会残留锌物种的M-N-C催化剂。有文献报道锌物种可能在高温中形成具有高氧还原活性的单原子分散Zn-Nx位点，这使得M-N-C真实的活性位存在争议。其次，ZIF-8本身的多面体结构较为稳定，使获得M-N-C的结构难以调控。因此迫切需要基于新型配位聚合物和合成方法制造结构可控的纯单原子分散的M-N-C催化剂。
基于此，本文报道了一种结构可控的锰-六亚甲基四胺配位框架材料 (MnHMT)，作为前驱体高温热解制备了一系列锚定了氮配位单原子锰的碳纳米片 (MnNCS)。Mn与HMT的配比是决定MnHMT结构与形貌的关键因素，Mn与HMT的摩尔比小于2时，MnHMT为块体状；Mn与HMT的摩尔比大于2时，MnHMT为棒状。棒状MnHMT中弱的氢键有利于其热解过程中形成多孔的超薄碳纳米片和原子分散的Mn-Nx位点。其中，最优的MnNCS在半电池 (酸性和碱性介质下的半波电位分别为0.89和0.76 V vs. RHE) 和锌-空气电池 (峰值功率密度为233 mW cm-2) 中显示出了优异的氧还原性能。值得注意的是，MnNCS对Fenton反应的弱的催化活性使得其具有明显高于铁-氮-碳催化剂的稳定性。实验和DFT理论计算表明，MnNCS优异的氧还原性能源于其多孔超薄碳结构和原子分散的MnN4位点。DFT计算进一步证实，Mn-N4-C12位点对氧还原反应中间体具有良好的吸附作用，特别是对速率控制步骤 (*OH的吸附) 具有合适的吸附。综上，本工作为开发新型金属配位聚合物及其衍生的单原子催化剂提供了新的路径。
化学工程与能源技术学院纳米材料与催化团队自2018年成立以来，长期从事新能源与环境相关领域的纳米材料开发与应用基础研究，现有团队负责人傅小波教授，学术骨干廖文波特聘教授、钟国玉副教授、许书瑞博士。近年来在国家自然科学基金、广东省自然科学基金等资助下开展了电催化剂的设计合成（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6(11): 15108-15118；Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59(50): 21756-21767.）、环境修复（Separation and Purification Technology, 2023, 326: 124793; Journal of Colloid and Interface Science, 2020, 566: 46-59.）、绿色催化过程（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2022, 10(23): 7564-7575；Applied Surface Science, 2023: 157721.）、电化学储能器件（Journal of Advanced Ceramics 12. 3 (2023): 634-648；Chemical Engineering Journal, 2021, 420: 129871；Applied Surface Science, 2023, 609: 155279.）等方面的研究工作，发表SCI学术论文20余篇，授权国家发明专利10余项，培养的本科生在广东省挑战杯学科竞赛多次获奖。
（撰稿：钟国玉，一审：廖文波，二审：尹华勤，三审：李长平）
