近日，厦门大学姜艳霞&孙世刚在Energy & Environmental Materials上发表题为：“ SunBoost the Utilization of Dense FeN₄ Sites for High-Performance Proton Exchange Membrane Fuel Cells”的研究型论文。

亮点

1. 本研究通过三聚氰胺辅助热解制备了具有开放多级孔结构的氮掺杂碳载体，增加了气相沉积的有效区域面积。

2. 制备的0.20Mela-FeNC电催化剂在酸性介质中表现出高高ORR活性，其半波电位（E_1/2）为0.861 V，质量活性是FeNC电催化剂的12倍。

3. 0.20Mela-FeNC电催化剂展示了高达1.30 W cm^-2的氢氧燃料电池峰值功率密度，超越了大多数已报道的Fe-N-C催化剂。

研究背景

PEMFCs作为一种高效的能量转换技术，其商业化应用依赖于高效且低成本的电催化剂来驱动阴极的氧还原反应（ORR）。目前，Pt基催化剂仍是ORR的基准电催化剂。然而，Pt的高成本、稀缺性和耐久性差严重阻碍了PEMFCs在实际应用中的推广。

Fe-N-C催化剂因其高内在活性而成为最有前景的非铂族金属（PGM-free）催化剂之一。然而，当前Fe-N-C电催化剂的合成策略不可避免地涉及到高温热解，这导致铁物种倾向于聚集形成活性较低的铁团簇和纳米颗粒，严重阻碍了Fe-N₄活性位点的形成。此外，Fe-N₄位点主要存在于碳基材的微孔中，而埋藏在致密碳基质中的Fe-N₄位点是不活跃的。因此，提高Fe-N-C催化剂的SD和位点利用率是提升其ORR性能的关键。

本研究旨在通过三聚氰胺辅助CVD方法提高Fe-N-C催化剂的外表面积和介孔孔隙度，从而增加可用于后续气相沉积活性位点的有效区域。通过这种方法制备的0.20Mela-FeNC催化剂展示了四倍于未经三聚氰胺处理的FeNC的SD值和位点利用率。因此，0.20Mela-FeNC催化剂在酸性介质中表现出高ORR活性，其E_1/2为0.861 V，质量活性是FeNC的12倍。作为PEMFCs阴极，0.20Mela-FeNC催化剂展示了高达1.30 W cm^-2的峰值功率密度，超越了大多数已报道的Fe-N-C催化剂。

文章简读

本研究报道了一种利用三聚氰胺辅助的蒸汽沉积方法，以提高Fe-N-C电催化剂的活性位点密度和利用率，从而提高质子交换膜燃料电池的氧还原反应性能。

图文赏析

通过图1至图6的结构表征和电化学分析，我们可以清晰地看到三聚氰胺辅助气相沉积方法对Fe-N-C催化剂结构和性能的显著影响。0.20Mela-FeNC催化剂不仅具有更高的SD和位点利用率，而且在PEMFCs中表现出卓越的ORR活性和质量活性。这些结果为开发高性能ORR电催化剂提供了新的见解。

图1.  0.20Mela-FeNC电催化剂的制备及结构表征。(a) 0.20Mela-FeNC的合成路线示意图；(b) FeNC和(c, d) 0.20Mela-FeNC的TEM图；(e) EDS mapping图；(f) 高分辨AC-HAADF-STEM图；(g) 0.20 Mela-Fe NC的EELS图。

图2.  xMela-NC的结构表征。a) NC和xMela-NC的孔径分布，b) 相应的表面积，c) NC、0.15Mela-NC、0.20Mela-NC和0.25Mela-NC的拉曼光谱，d) XPS N 1s光谱，e) 各种类型的氮的比例，f) 吡啶N和总N含量。

图3.  ORR性能测试。(a) ORR极化曲线；(b) 0.85 V下的E_1/2和j_k；(c) FeNC、0.20Mela-FeNC和Pt/C的Tafel曲线；(d) 电子转移数和H₂O₂产率曲线。

图4. FeNC和0.20Mela-FeNC的结构分析。(a) 氮气吸附-脱附等温线；(b) 对应的孔径分布；(c) FeNC和0.20Mela-FeNC气相沉积示意图；(d) Fe K-edge XANES谱；(e) Fe K-Edge FT-EXAFS谱；(f) 0.20Mela-FeNC的R空间Fe K-edge EXAFS拟合。

图5. 活性位点密度的电化学分析。(a) 通过绘制0.35 V下的j与扫描速率的关系来评估C_dl值；(b) SD，ICP-MS测定Fe含量，0.85 V下质量活度；(c) FeNC和0.20Mela-FeNC在0.82 V下的TOF和Fe利用率。

图6. PEMFCs性能测试。(a) 催化剂的极化和功率密度曲线；(b) 浓度过电位(h_C)；C ) 0.20Mela-FeNC在氢空条件下的极化和功率密度曲线。

文章链接

Yanrong Li, Shuhu Yin, Long Chen, Xiaoyang Cheng, Chongtai Wang, Yanxia Jiang, Shigang .SunBoost the Utilization of Dense FeN₄ Sites for High-Performance Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Energy Environ. Mater. 2024. e12611

DOI: 10.1002/eem2.12611

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12611

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作者简介

姜艳霞，厦门大学化学化工学院，教授，博士生导师。近年来研究工作侧重纳米材料、电催化和表面科学的交叉研究，致力于从原子排列结构层次和分子水平研究具有高活性的铂基合金电催化剂对有机小分子氧化和氧还原的反应过程和机理；以及碳基纳米电催化剂的对氧还原的性能，活性位和衰减机制。主持自然科学基金面上项目5项、对外交流与合作项目1项、福建省自然科学基金项目1项；主持国家自然科学基金联合基金项目合作课题1项；主持国家重点研发计划项目子课题1项；作为骨干参与自然科学基金重点项目2项、“973项目”课题2项、国际(地区)合作与交流项目1项。已在包括Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci, ACS Nano、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy、ACS Catalysis和Small等期刊上发表SCI收录文110余篇。

孙世刚，中国科学院院士，厦门大学化学化工学院教授，长期从事电化学、表界面科学和能源电化学研究。围绕电化学能源（燃料电池、二次电池）的核心科学问题，建立和发展高灵敏度的红外光谱、质谱、X-光衍射谱、核磁共振波谱等一系列电化学原位/工况谱学分析和成像技术，在分子水平和微观结构层次阐明电化学反应的动态过程和反应机理。获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、中法化学讲座奖、中国电化学贡献奖、中国光谱成就奖、国际车用锂电池协会终身成就奖、国际电化学学会Brian Conway物理电化学奖章等科技奖项；获国家级教学成果奖、首届全国教材建设先进个人奖、第四届杰出教学奖、国家级教学名师，全国模范教师、全国优秀科技工作者和全国先进工作者等荣誉。迄今已在包括Science, Nature, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res. 等学术刊物上发表SCI论文500余篇，被他引1万8千多次。