活性位点密度对Co-N-C催化剂燃料电池性能的影响

　　开发经济高效的非Pt族金属氧还原催化剂是实现质子交换膜燃料电池大规模应用的关键。目前性能最好的非Pt催化剂是Fe-N-C催化剂。然而，其电池稳定性还很差，原因之一是Fe离子催化芬顿反应产生氧化自由基攻击碳载体。因此，尽管性能还比不上Fe-N-C，Co-N-C催化剂凭借对于芬顿反应的免疫性成为稳定的非Pt催化剂候选者之一。提高Co-N-C催化剂电池性能要求深入了解性能增强机理。 

　　有鉴于此，北京航空航天大学材料科学与工程学院的水江澜教授研究团队合成了一系列具有不同密度的Co-N4活性位点的Co-N-C单原子催化剂，用于结构性质关系的定量研究。相关研究成果于2019年6月13日发表于《Applied Catalysis B: Environmental》。研究人员发现在低活性位点密度区，电池功率密度随Co-N₄位点密度缓慢线性地增加；而在高密度区则显示加速增长趋势。这表明，低本征活性的催化剂可以通过提高活性位点密度有效提高电池性能。优化的Co-N-C单原子催化剂实现了826 mW cm^-2的超高电池功率密度。此外，密度泛函理论计算与过氧化氢还原反应实验阐明了Co-N₄位点上氧还原反应为直接4e-途径而非2e- + 2e-途径，进一步解释了Co-N-C比Fe-N-C更高的电池稳定性。 

 　　图：利用北京同步辐射装置（BSRF）鉴定活性中心的原子结构。（a）XANES谱。（b）傅里叶变换的EXAFS谱。（c）EXAFS拟合结果。 

　　此项工作中，研究人员依托北京同步辐射装置1W1B-XAFS实验站对Co-N-C催化剂活性中心的原子结构进行了研究。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）的分析和拟合表明，所合成的Co-N-C催化剂具备原子级分散的活性位点，其结构为一个O2分子吸附的Co-N4结构。活性中心的明确鉴定为理论计算提供了有利支撑。这项工作揭示的性能增强机制为提升非贵金属催化剂的燃料电池功率密度提供了可行方法。同时，所制备的Co-N-C催化剂的优异综合性能展现了其在低成本质子交换膜燃料电池中的广阔前景。 

　　发表文章： 

　　Linyun Chen, Xiaofang Liu, Lirong Zheng, Yongcheng Li, Xu Guo, Xin Wan, Qingtao Liu, Jiaxiang Shang, Jianglan Shui* Insights into the role of active site density in the fuel cell performance of Co-N-C catalysts. Appl. Catal. B-Environ. 256 (2019) 117849.