1、研究背景：
将金属基纳米聚集体（团簇/纳米颗粒）引入到Fe–N–C催化剂中，是提高其在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中氧还原反应（ORR）催化活性和稳定性的有效策略。这一方法为新型Fe–N–C材料的开发开辟了一条外加增强体的新路径。然而，当前研究主要集中在Pt基或者Fe基增强体上。尽管这些增强体能够显著提升催化活性或稳定性，但它们各自存在一些局限性：Fe基增强体可能会引发芬顿反应，导致质子交换膜及催化剂损伤；而Pt基纳米聚集体虽然能大幅提升复合催化剂的ORR活性与稳定性，但在生产成本上具有劣势。因此，开发非Fe、非Pt的金属基纳米增强体对此类复合催化剂的应用具有重要意义。此外，增强体的引入可能会覆盖Fe–Nx活性位点或阻塞的传质通道，从而无法完全释放复合催化剂的催化潜力。如何在引入增强体的同时实现活性位点的高可及性也是一个亟待解决的问题。
2、文章概述：
近日，北京航空航天大学水江澜课题组采用“刻蚀与整合”策略成功制备了Mo2C纳米团簇/Fe–N–C复合催化剂，并深入探讨了Mo2C纳米团簇对于Fe–Nx活性位点的调控机制。在制备过程中，磷钼酸前驱体在高温热解时不仅形成了Mo2C纳米团簇，还优化了复合催化剂的孔道结构，增加了活性位点的数量及其在三相界面处的可及性。Mo2C纳米团簇具有类似Pt的电子结构，能够调整Fe–Nx位点的电子结构，优化ORR反应中间体的吸附能，从而增强活性位点的本征活性。此外，Mo2C纳米团簇还可以增强Fe–N键的强度，缓解活性位点的脱金属，提升了复合催化剂的稳定性。因此，所制备的复合催化剂展现出优异的ORR活性与稳定性：在0.1 M HClO4中，其半波电位为0.82 VRHE；在H2–air PEMFC中，极限功率密度高达0.5 W/cm2；更重要的是，在0.4 V电压下运行80小时后，该复合催化剂的电流密度衰减量小于5%。该研究不仅为Fe–N–C复合催化剂的结构设计提供了一种可靠方案，也为金属基纳米聚集体强化机制的深入理解提供了宝贵参考。
3、图文导读：
图1. FeSA/Mo2C–NC复合催化剂的合成示意图及微观形貌图。
图2. FeSA/Mo2C–NC的半电池活性与稳定性研究。复合催化剂活性的提升来源于活性位点密度（SD）与转换频率（TOF）的同步提升，而稳定性的提升来源于位点脱金属现象的减弱。
图3. FeSA/Mo2C–NC在PEMFC中的活性与稳定性研究。Mo2C纳米团簇的引入提升了复合催化剂在PEMFC中的性能并表现出一种区别于传统Fe–N–C的衰减模式。
图4. DFT理论计算研究。Mo2C纳米团簇减弱了OH*在Fe单原子位点上的结合强度且增强了Fe–N键的强度，使得复合催化剂的ORR活性与稳定性同步提升。
论文信息：
Boosting the performance and durability of Fe–N–C fuel cell catalysts via integrating Mo2C clusters
Liming Guo, Xin Wan*, Xiaofang Liu*, Jiaxiang Shang, Ronghai Yu, Jianglan Shui*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202401270
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