聚合物膜H₂–O₂燃料电池的商业化及其广泛应用，促使人们开发具有成本效益的氧还原反应（ORR）非铂族金属（NPGM）催化剂。然而，为了满足实际燃料电池应用和替代铂催化剂的需求，NPGM催化剂仍需解决一些挑战，包括阴极ORR动力学缓慢以及在酸性环境中耐久性差的问题。针对这些问题，过去几十年来，人们在理论和实验上对NPGM催化剂进行了大量研究，并将其发展成为原子分散的配位金属-氮-碳（M-N-C）形式。在本综述中，我们对近期在高活性和耐久性NPGM催化剂方面的进展进行了全面总结。
重点介绍了通过优化活性位点密度和提高催化剂抗脱金属化和碳腐蚀的稳定性来设计催化剂的策略。同时，强调了通过理论建模与实验工作相结合来理解这些策略背后机制和原理的重要性。特别地，进一步理解活性位点结构以及热解条件下单原子活性位点的形成过程对于活性位点工程至关重要。优化活性位点距离是通过增加催化剂活性位点密度来提高催化剂活性的基本原则。对催化剂失活机制的理论研究以及稳定活性位点结构的建模，为改善NPGM催化剂的耐久性提供了机制和原理。
最后，讨论了当前在设计高性能原子分散NPGM催化剂以应用于燃料电池方面仍存在的挑战以及未来的展望。
01 引言与背景
随着聚合物膜H2-O2燃料电池的商业化和广泛应用，开发具有成本效益的氧还原反应（ORR）非铂族金属催化剂成为迫切需求。然而，要满足实际燃料电池应用和替代铂催化剂的要求，NPGM催化剂仍面临一些挑战，如阴极ORR动力学缓慢和在酸性环境中的耐久性较差。因此，对NPGM催化剂进行理论和实验研究，开发具有高活性和耐久性的催化剂具有重要意义。
02 研究亮点
原子级分散的活性位点：通过精确控制制备条件，实现了金属原子在载体上的原子级分散，显著提高了催化剂的活性和稳定性。 创新的催化剂设计策略：研究团队提出了一系列优化活性位点密度和增强催化剂稳定性的新策略，包括高温处理后的原位表征技术，以及通过化学气相沉积（CVD）和离子交换等方法提高活性位点密度。 深入的机理探究：结合理论模型和实验工作，深入理解了催化剂活性位点结构与其性能之间的关系，为催化剂的理性设计提供了重要的理论基础。
03 NPGM催化剂的研究进展
近年来，研究人员在NPGM催化剂方面取得了显著进展，主要集中在以下几个方面：
催化剂的设计与制备：开发了原子分散的金属-氮-碳（M-N-C）形式的NPGM催化剂。通过优化活性位点密度和增强催化剂对脱金属化和碳腐蚀的稳定性，提高了催化剂的活性。
活性位点工程：深入理解了活性位点结构和在热解条件下单原子活性位点的形成过程。优化活性位点距离是提高催化剂活性的基本原则，通过增加催化剂活性位点密度来实现。
催化剂失活机制与稳定活性位点结构：对催化剂失活机制进行了理论研究，并建立了稳定活性位点结构的模型。
这些研究为改善NPGM催化剂的耐久性提供了机制和原理。
04 高活性与高稳定性NPGM催化剂的设计策略
为了实现高活性与高稳定性的NPGM催化剂设计，文献中提出了以下策略：
优化活性位点结构：通过精确控制催化剂的制备过程，优化活性位点的结构和组成。利用先进的表征技术，如X射线吸收光谱和透射电子显微镜，对活性位点进行深入研究。
增强催化剂稳定性：通过引入杂原子或官能团，提高催化剂的耐腐蚀性。采用多层结构设计，增强催化剂的机械稳定性和化学稳定性。
催化剂性能评估与优化：利用电化学测试方法，评估催化剂的活性、选择性和耐久性。
根据测试结果，对催化剂进行进一步优化，以提高其综合性能。 05 图文导读
FIGURE 1： 可能的氧还原反应机制和途径。
FIGURE 2：Fe–N–C催化剂通过热解过程的形态变化。
FIGURE 3：通过CVD方法制备的高密度SAC催化剂。
FIGURE 4：通过金属交换反应制备的Fe–N–C催化剂。
FIGURE 5：通过H2O2处理和第二次热解制备的Fe–N–C催化剂。
FIGURE 6：具有不同共轭配体结构的2D-COFs的合成。
FIGURE 7：提出的吡啶型FeN4C12和吡啶型FeN4C10活性结构。
FIGURE 8：通过优化活性位点的Fe–N键长来提高催化剂的稳定性。
FIGURE 9：通过氢气钝化处理提高Fe–N–C催化剂的稳定性。
06 未来展望与挑战
尽管在NPGM催化剂方面取得了显著进展，但仍面临一些挑战，如进一步提高催化剂的活性和耐久性、降低成本以及实现大规模生产等。未来，研究人员将继续致力于开发新型NPGM催化剂，优化其设计策略，并探索其在燃料电池中的实际应用。
07 结论
综上，文章对NPGM燃料电池催化剂的设计机制、原理和策略进行了全面总结。通过优化活性位点结构、增强催化剂稳定性和性能评估与优化等策略，研究已经取得了显著进展，旨在为读者提供对NPGM燃料电池催化剂设计方面的全面了解。
