降本新希望？科研工作者研发可媲美铂的高稳定Fe-N-C氧还原催化剂

请大家将“全球氢能”加为“星标”，或者每次看完后点“赞”或“在看”，因为微信修改了推送规则，只有这样做才能保证每天准时收到推文哦！

文章来源：科学网、材料人、全球氢能，转载请注明出处

开发不含铂族金属的催化剂来替代Pt是显著降低质子交换膜燃料电池（PEMFCs）成本的关键一步。

近日，美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授课题组在Nature Energy期刊上发表题为“Atomically-dispersed iron sites with a nitrogen-carbon coating as highly active and durable oxygen reduction catalysts for fuel cells”学术论文。该项研究首次报道了能够和贵金属铂相媲美的铁基催化剂，催化剂活性和稳定性在真实的燃料电池中做了系统的研究和确认。

DOI：10.1038/s41560-022-01062-1

该工作改进代表了开发可行的Fe-N-C催化剂以克服氢燃料电池在众多应用中的成本障碍的关键一步。

在酸性电解质中，具有原子分散的氮配位铁位点（FeN₄）的催化剂在碳（Fe-N-C）中表现出优异的氧还原反应（ORR）活性。尽管Fe-N-C的催化活性正在稳步接近Pt，但是其稳定性仍阻碍了实际应用。具有局部缺陷的小碳平面有助于O-O键断裂，但这种富含缺陷碳域的氧化可能会在ORR期间触发催化剂中FeN₄位点的脱金属。石墨化碳结构具有更高的耐腐蚀性/抗氧化性以稳定FeN₄活性位点，但它们缺乏足够的缺陷和氮掺杂剂来负载足够的FeN₄位点密度。

通常，Fe-N-C是通过高温热解合成的，这导致FeN₄配位环境的受控程度较低，且活性物种的存在形式复杂多样。长期以来，Fe-N-C产生ORR活性的来源存在不确定性，因此，难以将催化剂微观配位环境与ORR性能相关联。最近，Jaouen等人通过原位在线Mössbauer谱明确了Fe-N-C催化剂的两个FeN₄位点构型：

• 其一是具有四个吡咯型N配体的FeN₄C₁₂位点（表示为S1位点），如Fe(Pc)；

• 其二是具有四个吡啶型N配体的FeN₄C₁₀位点（表示为S2位点），其结构与Surendranath等人合成的分子催化剂一致。

S1位点具有更高的ORR本征活性，但在ORR过程中容易不可逆地转化为不具活性的三氧化二铁。而S2位点对金属的脱除过程具有更高的抵抗力以及较高的稳定性，但其ORR活性相对较低。

因此，FeN₄位点的配位环境和局部碳结构对其内在活性和稳定性至关重要。一般地，Fe-N-C催化剂中嵌入碳平面的FeN₄位点类似于含有Fe-N配位的分子大环化合物，但同时实现Fe-N-C催化剂的高活性和稳定性具有挑战性。合理的催化剂设计对于提高稳定的FeN4位点的密度至关重要。

示意图

为此，团队展示了一种用于PEMFCs的高度稳定和活性的Fe-N-C ORR阴极催化剂，这代表了替代Pt并使PEMFCs可用于多种应用的关键一步。作者探索了如何通过调节催化剂的局部碳结构，并将不稳定的吡咯N配位S1（FeN₄C₁₂）转化为稳定的吡啶N配位S2位点（FeN₄C₁₀）来增强催化剂中FeN₄活性位点的稳定性。在MEA中使用标准电压循环AST（在H₂-空气条件下30000次电压循环）和在H₂-空气条件下0.67 V的燃料电池寿命测试（>300 h），证明了其稳定性。在AST之后，MEA在0.8 A·cm^-2和21 mW·cm^-2峰值功率密度下仅损失30 mV，满足了PEMFCs阴极催化剂目标。

图 燃料电池测试研究了Fe-N-C催化剂的活性和稳定性

该工作的核心创新在于通过工程设计FeN4位点的C结构和配位环境，Fe-N-C催化剂不仅具有优异的稳定性，而且保持了足够的活性；其中在0.67 V下可以稳定运行超过300 h，保持与Pt/C催化剂相当的性能。

研究结果表明，Fe-AC在MEA中的面积比活性高达41.1mA·cm⁻²（@0.9V_iR-free, H₂-O₂，150kPa_abs, 80℃）,接近DOE设定的目标；Fe-AC为经过NH4Cl处理所制备的Fe-N-C催化剂，CVD为化学气相沉积技术，CVD处理后的Fe-AC-CVD在MEA中依然保持较高的活性。与RRDE的研究结果相一致，Fe-AC在MEA中展现出优异的初始性能，但稳定性欠佳；相较于Fe-AC，在30000圈的燃料电池耐久性测试之后，Fe-AC-CVD性能仅发生轻微衰减。此外，Fe-AC在0.67V展现出优秀的初始性能，但电流发生快速衰减；而Fe-AC-CVD表现出良好的稳定性，其在0.67V的电流衰减率仅为0.132mA·cm⁻²·h⁻¹，甚至优于商业化的Pt/C催化剂。

该研究报道的单一无PGM催化剂中同时实现有希望的活性和稳定性，提供了在PEMFCs中替代Pt催化剂并最终降低成本的巨大希望。

END
推
荐
阅
读
1、中国石化实现高效铂/碳电催化剂实现工业化量产，国产催化剂市场发展如何了？3、西北首个氢能低碳数据中心开工，氢能在新型电力系统下有什么发展及应用？4、未势能源70MPa减压阀通过德国监管机构（KBA）EC79认证
5、广汽集团1.5L氢燃料发动机首发亮相！内燃机“氢”转型这个方向发展如何了？6、大型水电解制氢技术现状及发展7、香港科技大学开发出新型氢燃料电池催化剂，更耐用且更具成本效益
8、甘肃省首条中长距离纯氢输送管道主线全线贯通
 编辑：戴戴联系邮箱：[e-mail]

扫码加入中国氢燃料电池行业通讯录

添加管理员微信（微信号：ranliaodianchijun），加入氢燃料电池行业微信交流群

     扫码关注      加入微信交流群微信广告投放：代女士 15271900536商务合作：贾经理 13261313609

【免责声明】1、鉴于本平台发布稿件来源广泛、数量较多，如因作者联系方式不详或其它原因未能与著作权拥有者取得联系，著作权人发现本平台转载了其拥有著作权的作品时，请主动与本平台联系， 提供相关证明材料，本平台将及时处理；2、本平台文章转载目的在于传递更多信息，并不代表本平台赞同其观点和对其真实性负责；3、如其他媒体、网站或个人转载使用，需保留本平台注明的“稿件来源”，并自负法律责任；4、对免责声明的解释、修改及更新权均属于全球氢能所有。

【版权声明】图文转载于网络，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如有异议，请联系我们进行删除。

转发，点赞，在看，安排一下？