通讯作者：Deborah J. Myers、Frédéric Jaouen、QingyingJia
通讯单位：美国东北大学、法国蒙彼利埃大学、美国阿贡国家实验室
质子交换膜燃料电池（PEMFC）的电动汽车在2014年首次实现了商业化，但是昂贵且稀缺的铂资源阻碍了燃料电池大规模用于电动汽车的最大问题。铂是催化燃料电池阴极氧还原反应（ORR）的主要原料。目前，在世界范围内的研究主要集中在开发不含铂族金属（PGMs）的ORR催化剂，主要集中在热解制备金属-氮-碳（M-N-C）材料。然而，由于M-N-C催化剂的活性位点密度和位点利用率低，因此M-N-C的氧还原反应活性低在很大程度上限制了非铂催化剂的使用。
图1. 合成的ZIF-8和Zn-N-C的表征：（a）ZIF-8的透射电子显微镜（TEM）图像；（b）ZIF-8的X射线衍射图和模拟图（JCPDS数据库文件00-062-1030）；（c）Zn-N-C的Zn K-edge傅立叶变换EXAFS谱图；（d）Zn-N-C的N1s的XPS；（e，f）Zn-N-C的SEM图像；（g-k）不同放大倍数下Zn-N-C的AC-STEM。
基于此，美国东北大学化学与化学生物学系Qingying Jia教授、法国蒙彼利埃大学Frédéric Jaouen教授和美国阿贡国家实验室Deborah J. Myers教授合作通过化学气相沉积方法来克服这些障碍，在750°C的Zn-N-C基底上流动氯化铁蒸汽来合成Fe-N-C，从而使Zn-N4位点在高温下转变为Fe-N4位点。实验结果表明：Fe-N-C催化剂的活性位点密度达到了1.92×1020位点/g。相关工作以“Chemical vapour deposition of Fe–N–C oxygen reduction catalysts with full utilization of dense Fe–N4 sites”为题发表在Nature Materials上。
图2. FeNC-CVD-750的表征:（a）SEM图像；（b）ADF-STEM和（c）二次电子STEM图像；（d）原子分辨率ADF-STEM图像；（e）高分辨率N1s XPS光谱；（f）配备Fe（iii）（90%）和Fe（ii）（10%）的高分辨率Fe2p XPS光谱；（g）电子能量损失光谱显示从单个原子获得的N K-edge和 Fe Ledge（插图中显示了原子分辨率AC-STEM图像）；（h）在5 K配有D1（89%）和D3（11%）下测量的57Fe Mössbauer光谱；（i）异位XANES光谱以及Fe（ii）Pc和O2–Fe（iii）Pc标准的光谱比较；（j）非原位Fe K-edge傅里叶变换EXAFS光谱及其拟合，插图中为O2-Fe（iii）-N4模型，其中橙色、红色和紫色球分别代表Fe、O和N原子。
本方法具有两个基本优点：（1）Fe-N4位点在较低温度下形成，保留了高位点密度所需的较高N含量；（2）Fe-N4位点本征性的可允许气体进入，利用率高。因此，FeNC-CVD-750催化剂在H2-O2 PEMFC中具有高SD质量和ORR性能。它也是一种仅含有一种铁活性位点的模型催化剂。因此，使用CVD方法将ORR的模型催化剂和实际催化剂组合在一个实体中。Li Jiao, Jingkun Li, Lynne LaRochelle Richard,Qiang Sun, Thomas Stracensky, Ershuai Liu, Moulay Tahar Sougrati, Zipeng Zhao,Fan Yang, Sichen Zhong, Hui Xu, Sanjeev Mukerjee, Yu Huang, David A. Cullen,Jae Hyung Park, Magali Ferrandon, Deborah J. Myers, Frédéric Jaouen, QingyingJia, Chemical vapour deposition of Fe–N–C oxygen reduction catalysts with fullutilization of dense Fe–N4 sites, Nat. Mater. 2021, https://doi.org/10.1038/s41563-021-01030-2
