《Adv Mater》：一种用于燃料电池的耐用高功率无铂族金属阴极！

嵌入碳中的原子分散和氮配位的单金属位点（表示为MC），已成为有前景的质子交换膜燃料氧还原反应（ORR）阴极的无铂族金属（无PGM）催化剂。部分学者从理论上预测了MN4（M：Fe，Co或Mn）的组成部分，然后通过实验验证了其在M–N–C催化剂中的活性位点。另外部分学者研究了许多的前体，包括锌基沸石咪唑酸盐骨架（ZIF-8s）在高温碳化过程中有效地产生了原子分散的MN4位点和水性酸性电解质。近年来，使用固态电解质（即Nafion）在PEMFC的膜电极组件（MEA）中往往难以复现。质子交换膜燃料电池中用于氧还原反应（ORR）阴极的原子分散金属-氮-碳（MC）催化剂的催化活性和耐久性的提高仍然是一个巨大的挑战。

为此，来自美国纽约州立大学的研究人员在《Advanced Materials》上发表题为“单个钴位点分散在分层多孔纳米纤维网络中，用于燃料电池中耐用且高功率的无铂族金属（无PGM）阴极”的文章。报道了一种通过将钴掺杂的沸石咪唑酸酯骨架电纺到选定的聚丙烯腈和聚（乙烯基吡咯烷酮）聚合物中而合成的高功率且持久的Co-N-C纳米纤维催化剂的方法。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202003577

其中独特的多孔纤维形态和分层结构通过暴露更易接近的活性位点，从而提供了便捷的电子传导性并促进反应物的质量传输，这在提高电极性能方面起着至关重要的作用。增强的固有活性归因于围绕CoN4部分的额外的石墨N掺杂剂。催化剂中高度石墨化的碳基质有利于增强碳的耐腐蚀性，从而提高催化剂的稳定性。

独特的纳米级X射线计算机断层扫描显示出催化剂中整个纤维状碳网络中分布良好的离聚物覆盖率。膜电极组件在实际的H2 /空气电池（1.0 bar）中实现了0.40 W cm-2的功率密度，并在加速稳定性测试中显示出显着增强的耐久性。单个Co位点的固有活性和稳定性以及独特的催化剂体系结构的结合，这可以为设计高效、高性能的PGM电极提供了新的思路。

图1.a）通过共电纺丝Zn / Co-ZIFs和聚合物，然后进行两步热活化，制备Co-N-PCNFs催化剂的过程示意图。  b–e）Zn / Co–ZIFs–PAN / PVP前体（b）和Co–N–PCNF催化剂（c–e）的二次电子（SE）图像。

图2. a–d）Co–N–PCNFs催化剂的HAADF-STEM图像。  e）N2吸附-解吸等温线，以及f）Co–N–C和Co–N–PCNFs催化剂的孔径分布。  g，h）带有石墨化碳结构的Co–N–PCNF的高分辨率TEM图像。i）XRD，j）拉曼和k，l）XPS N 1s分析Co–N–C和Co–N–PCNFs催化剂。

图3. a–d）Co–N–PCNFs样品的HAADF-STEM图像和STEM-EDS元素图。  e–g）Co–N–PCNFs催化剂的EELS点光谱的像差校正HAADF-STEM图像。  h，i）Co K边缘XANES光谱，傅立叶变换R空间EXAFS的大小的ft（数据－圆圈和ft－红线）和k2加权的EXAFS的ft（ft－红线） 各种基于Co的样本。

图4. a）稳态ORR极化图，b）在0.5 m H2SO4中，在25°C下，Co-NC和Co-PCNFs催化剂的H2O2产率和电子转移数。  c）Co含量对Co–N–PCNFs催化剂的ORR活性有影响。  d–f）恒电位测试@ 0.85 VRHE（d，e）和@ 0.7 VRHE（f）。g–i）在O2饱和的0.5 m H2SO4中，各种样品在低电势范围（0.6–1.0 VRHE）（g）和高电势范围（1.0–1.5VRHE）（h，i）中的电势循环。

图5.a）N掺杂的Co–N–C催化剂的原子结构，被建模为一个石墨烯层，其中包含一个CoN4位和周期性模拟单元中不同数量的石墨N掺杂剂（即1–4）。

图6. a，b）H2-O2和H2-气室中Co-N-C和Co-N-PCNFs阴极催化剂的性能比较示意图

总之，本文通过Co掺杂的ZIF-8s晶体和PAN / PVP双聚合物的共电纺丝工艺设计了一种原子分散的Co-NC催化剂中的创新电极结构。通过系统地研究孔隙率和形貌控制，本文强调聚合物的选择、金属的组合和热处理对于Co-N-C催化剂至关重要，在实际的燃料电池应用中，对于高级电极结构，它们需要进行精细的设计。事实证明，独特的相互连接的多孔纤维形态和层次结构可有效地将其高固有活性转化为设备级MEA性能，并显着提高稳定性和耐用性。

DFT计算表明，主要的石墨N掺杂剂通过在相邻C原子上诱导更高的电荷密度来提高CoN4位点的固有ORR活性，从而降低了ORR期间OOH离子的离解步骤的活化能。Co-N-PCNF催化剂具有独特的相互连接的多孔纳米纤维网络和多峰孔径分布，能够提高单原子钴位点的利用率并最大化有效TPB的密度。每个纳米纤维中丰富的ZIFs衍生的微孔对于承载单原子CoN4活性位点并因此实现高催化活性至关重要。纤维网络内之间足够的中孔和大孔空隙促进了反应物（O2和H +）和产物（H2O）的质量转移。结果显示，离聚物在无PGM的厚阴极层中的均匀分布主要是导致MEA性能显着提高的原因，这是通过使用独特的纳米CT成像进行验证的。（文：SSC）