具备高密度活性位点和高效传质的Fe–N–C电催化剂用于高性能质子交换膜燃料电池

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种极具前景的可持续能量转化装置，可以高效地将储存在燃料中的化学能转化为电能，然而其商业化发展受限于高昂的Pt基贵金属催化剂。因此，开发低成本高性能非Pt催化剂是当前电催化领域的一大研究热点。北京航空航天大学材料科学与工程学院水江澜教授课题组设计了一种超高活性的Fe–N–C单原子催化剂，首次达到了美国能源部（US DOE）设定的非Pt催化剂2018年活性目标，相关的研究成果发表在2019年3月4日的《Nature Catalysis》上。 

　　该研究团队通过长期的探索，认识到Fe–N–C催化剂活性位点的低利用率才是限制电池性能的主要因素，而催化剂的孔隙结构是影响活性位点利用率的关键。他们设计并制备出一种具有大外比表面积的凹面Fe–N–C纳米颗粒催化剂，该催化剂不仅具有很高的FeN4位点密度，同时在电池中相对于传统催化剂具有显著提升的活性位点利用率。得益于以上优点，该催化剂展现出前所未有的氢/氧燃料电池性能，其0.88 ViR-free下的电流密度可达47 mA cm^-2，首次达到美国能源部设置的2018年非Pt催化剂活性目标44 mA cm^-2；0.9 ViR-free下的电流密度可达22 mA cm^-2，实测极限功率可达1.18 W cm^-2，均为目前报道的最高值。 　　

　　图：利用北京同步辐射装置（BSRF）获得的活性中心的原子结构。（a）通过比较XANES实验谱和理论计算谱，得到最可能的原子结构模型（插图）。（b）EXAFS谱拟合结果。 

　　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Fe–N–C催化剂活性中心的原子结构进行了研究。X射线近边吸收精细结构（XANES）拟合表明，活性中心为独特的原子级分散的2个O2分子吸附的FeN₄C₈结构。活性中心的明确鉴定，为进一步的结构-性能关系研究提供了有力的支撑。该研究表明，活性位点密度是决定Fe–N–C燃料电池性能的主要因素，而大的外比表面积在提高活性位点密度以及增强催化剂层的传质方面起着关键作用。本工作阐明了非Pt催化剂的性能强化机制，设计制备了有效催化剂构型，对于未来开发高性能的非Pt催化剂具有重要的指导意义。 

　　发表文章： 

　　Xin Wan, Xiaofang Liu, Yongcheng Li, Ronghai Yu, Lirong Zheng, Wensheng Yan, Hui Wang, Ming Xu* and Jianglan Shui* Fe–N–C electrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport for high-performance proton exchange membrane fuel cells. Nature Catalysis 2 (2019) 259–268.