文 献 综 述

本文研究的主题是：”自支撑Fe-N-C纳米膜催化剂作为双功能氧电极催化剂”。

21世纪的地球隐藏着一场新的危机#8212;#8212;能源危机，随着工农业生产和人民生活现代化的发展,能源的消耗量急剧增加，而存储量却是有限的。以石油为主的不可再生能源终有一日会开采殆尽^[1]。化石燃料如石油，天然气和煤炭是不可持续且消耗迅速的，它们是全球气候变化，有害气体排放和环境污染的主要原因。所以我们将目光转向了制备新型能源，如太阳能、风能、水能、核能等等，现代社会不可避免地从开采化石燃料发展到采集清洁能源。这通过清洁能源解决方案（如风能和太阳能技术）的不断发展得到证明。然而，可再生能源的开发受到若干问题的限制，最重要的是能源来源的间歇性。解决这个问题的可行方案是开发先进的电化学能量存储和转换系统，以确保间歇式可再生能源的供应。此外，电化学能量存储和转换系统的发展也是能源运输的关键。因此，研究电化学装置是培养保护环境意识和开发未来可靠能源的核心^[2]。

对清洁能源日益增长的需求和对全球变暖的持续关注刺激了人们对开发用于可持续和可再生能源转化和储存的高效电化学系统的研究活动。然而，许多重要的能量转化过程（包括直接的太阳能和电驱动的水裂解金属空气电池和再生燃料电池）速率或者说许多能量存储技术（例如可再充电的金属-空气电池和水裂解产生的氢气）^[3]效率通常受到析氧反应（OER）的限制^[4]。

水的氧化一直是科学家努力的焦点，因为其应用于间歇性可再生能源（例如太阳能，风能和潮汐能）的存储。通过水裂解研究OER比HER相比较而言更难以发生反应，所以其更具有意义^[5]。析氧反应（OER）由过渡金属氧化物（TMO）催化，其表面的反应相当难以捉摸^[6]。到目前为止，析氧反应（OER）所需的电势显著阻碍了水电解的可行性。因此，非常需要开发高活性、高稳定性同时保持低成本的OER催化剂，来提高该方法的效率并降低燃料生产的成本^[7][8]。

几个实验研究表明，氧化物表面，特别是金红石型氧化物如RuO₂，IrO₂作为析氧电极比元素金属性能更好^[9]。然而，稀有、高成本以及碱性溶液中的不稳定性都是抑制贵金属电催化剂例如RuO₂和IrO₂实际利用率的问题,因此，有限的资源和高成本严重阻碍了其广泛应用^[10]。相比之下，低成本以及高效的钙钛矿清楚地表明了OER电催化剂开发的一个重要方向。

高效和高性价比的电催化剂在能量转换和储存中发挥着关键作用。均相和非均相催化剂代表了两个平行的电催化剂研究前沿，各有其优点和缺点。均相催化剂因其高度均匀的活性位点，可调节的配位环境和最大的原子利用率而具有吸引力，但受其稳定性和可回收性相对较差的限制。非均相催化剂由于其高耐用性，优异的可回收性以及容易与电极固定和集成而具有吸引力，但由于反应物可接触的表面位置有限，所以原子利用效率通常较低。为此，大量的努力致力于开发可增加暴露的表面原子的纳米级非均相催化剂。然而，颗粒的大小和表面分布的不均匀性对控制活性部位和机理研究提出了严峻的挑战。相比之下，均相催化剂通常表现出明确的原子结构和可调节的配位环境，这对于破解催化反应路径和合理设计具有专门催化性能的靶向催化剂是必不可少的。

将具有单分散单原子的单原子催化剂（SACs）负载在固体基质上形成的催化剂最近成为了一个令人兴奋的催化剂类别，它结合了均相催化剂和非均相催化剂的优点。”单原子催化”即采用单原子分散的金属催化剂进行催化反应，是近几年催化和材料研究领域非常热门的课题。由于催化剂表面的活性组分高度分散，其金属的利用率非常高（理论上达100%），催化活性高，在资源利用上有着普通催化剂不具备的优势。研究者们已经通过低负载量浸渍、嵌入合金特定位点、光化学沉积等方法制备了一系列的单原子催化剂，X-MOL也对部分工作进行了报导（点击阅读相关）。但是，单原子催化剂还面临着高温不稳定等问题，在反应条件或者强热下，原子发生迁移（或团簇迁移）从而团聚形成大颗粒，破坏原有的单原子分散状态，影响催化剂的稳定性^[11-14]。

然而，迄今为止研究的大基元SAC都采用金属氧化物（例如TiO₂，CeO₂和FeOx）作为支撑基底以防止原子聚集，由于它们在苛刻的液相电解质（例如强酸或碱）中的低电导率和（或）低稳定性，不易用于电催化应用。以碳为支撑的过渡金属-氮基元（M-N-Cs）代表了一类独特的SACs，具有高电导率和超级（电）化学稳定性，可用于电催化应用。尤其是，基于铁的M-N-Cs作为电催化剂被广泛研究用于氧还原反应（ORR），其活性和稳定性接近于商业Pt / C催化剂。此外，正如众多理论研究所提出的，M-N-C很有希望作为催化剂催化各种电化学过程，如氢气还原/氧化，CO₂ / CO还原和N₂还原^[14-18]。

由于成本和供应两方面的问题，人们非常希望用更便宜和更丰富的材料代替质子交换膜燃料电池阴极中使用的Pt基氧还原电催化剂。一种有前景的催化剂是基于过渡金属TM-C-N体系（TM = Fe，Co）用于制备这些催化剂的传统方法包括在600-1000℃下对TM前体，碳粉和氮源进行热处理。