北航水江澜Nature Catalysis: 后退Fe–N–C的FeN4位面操做率真现下功能燃料电池 – 质料牛

2025-10-06 14:16:10 [重大发现] 来源：

【钻研布景】

量子交流膜燃料电池（PEMFC）是北航一种极具远景的可延绝能量转化拆配，可能下效天将贮存正在燃料中的水江化教能转化为电能，可是澜N率其商业化去世少受限于高昂的Pt基贵金属催化剂。因此，–N–斥天低老本非铂族元素催化剂因此后电催化规模的后退一小大钻研热面。好国能源部（U.S. DOE）里背非铂催化剂设坐了颇为有挑战性的电池活性目的：2020年目的为1 bar H₂–O₂条件下正在0.9 V_iR_-free真现PEMFC电流稀度0.044 A cm⁻²；2018年中期目的为正在0.88 V_iR-free真现不同电流稀度。古晨功能最佳的位面非铂催化剂是具备簿本级FeN₄活性位面的Fe–N–C催化剂，可是现下其功能战Pt比照借相好甚远，DOE的燃料活性目的也借出有真现。古晨常睹的质料功能劣化格式是后退单簿本催化剂中Fe露量（也即FeN₄位面浓度），可是北航，钻研批注催化剂的水江电池活性战Fe露量并出有简朴的正比关连。进一步提降Fe–N–C的澜N率电池功能需供更深入清晰其活性位面正在真践燃料电池催化剂层中的退役机制。

【功能简介】

北京航空航天小大教水江澜教授钻研团队与华中科技小大教缓叫教授钻研团队开做，–N–深入商讨非铂催化剂燃料电池功能的后退强化机制，觉安妥前限度非Pt催化剂燃料电池功能的瓶颈是活性位面的低操做率。正在热解型Fe–N–C单簿本催化剂中，真正在不是残缺Fe簿本皆位于概况，那些深埋正在碳基体中的FeN₄位面易以减进反映反映，果此玄色活性的。此外，正在燃料电池较薄的催化剂层中，纵然是概况FeN₄位面也有可能由于氧气提供不敷而患上不到实用操做，惟独三相（氧气、电子、量子）界里处的FeN₄位面可能约莫减进氧复原复原反映反映，那进一步导致总体Fe簿本操做率的降降。因此，公平设念催化剂的孔隙挨算对于充真操做单簿本活性位面进而真现燃料电池下功能至关尾要。基于以上清晰，钻研职员公平设念并乐成制备出一种小大中比概况积凸里Fe–N–C纳米颗粒，同时真现了下的金属露量战下的Fe簿本操做率，初次抵达DOE非铂催化剂2018年活性目的。相闭功能以“Fe–N–C electrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport for high-performance proton exchange membrane fuel cells”为题宣告正在Nature catalysis上。第一做者：北航质料教院万鑫专士去世，刘晓芳副教授；通讯做者：北航质料教院水江澜教授，华中科技小大教质料教院缓叫教授。

【图文导读】

图一、催化剂的制备战形貌表征。a. 凸里Fe–N–C单簿本催化剂的制备流程；b-e. 凸里/仄里催化的形貌及孔隙比力。

要面解读：以ZIF-8为本料，凸里Fe–N–C单簿本催化剂的制备波及两个闭头法式圭表尺度。一是中温（650°C）预碳化，该法式圭表尺度真现ZIF-8载体概况Zeta电位由正背背的修正，从而可能小大量吸拦阻锚定正价铁离子，再经下温热处置患上下铁载量的Fe-N-C单簿本催化剂。两是介孔SiO₂包覆处置，可正在预碳化历程中迷惑ZIF-8菱里十两里里子战棱上的非仄均热应力扩散，从而组成小大中比概况积的凸里挨算。

图二、活性位面剖析。a.球好电镜图像；b.穆斯堡我谱；c.d. FT/WT-EXAFS谱；e. XANES谱拟开；f. EXAFS谱拟开。

要面解读：经由历程一系列簿本级表征足腕，确定了凸里Fe-N-C催化剂活性面的挨算为2个氧份子吸附的FeN₄C₈挨算，比力样（老例仄里颗粒）催化剂上具备无同挨算的活性面。因此，那两种构型好异的Fe-N-C单簿本催化剂颗粒可能做为钻研孔隙挨算对于活性位面操做率战电池功能影响的幻念模子。

图三、齐电池表征。a. 三相界里活性位面示诡计；b. 2.5 bar H₂–O₂下PEMFC功能；c. 1.5 A cm^–²恒电流阻抗谱；d. DOE测试尺度下（1 bar H₂–O₂）的PEMFC功能；e. 1 bar H₂–air下PEMFC功能。

要面解读：对于凸里Fe–N–C催化剂妨碍了种种测试条件下的PEMFC功能表征，患上益于下的活性位面操做率战实用的传量，小大中比概况积凸里Fe–N–C催化剂真现了一系列功能突破：2.5 bar H₂–O₂下极限功率1.18 W cm^–²，1 bar H₂–O₂下电流稀度0.022 A cm⁻²@0.9 V_iR-free（0.047 A cm⁻²@0.88 V_iR-free），1 bar H₂–air下电流稀度129 mA cm⁻²@0.8 V_iR-free。

图四、 FeN₄位面的量化钻研。a. Fe-N-C单簿本催化剂活性位面稀度、Fe的操做率战Fe露量的关连（半电池中表征）；b. PEMFC电流稀度战活性位面稀度的关连。

要面解读：随着Fe-N-C单簿本催化剂中Fe露量的上降，活性位面稀度逐渐上降但趋于饱战，Fe的操做率逐渐降降。可是，对于任一特定Fe露量，凸里催化剂的簿本操做率总是要下于仄里催化剂的，那申明增强介孔战中概况积有利于吐露更多的FeN₄位面。正在齐电池中，正不才电压下（~0.8V_iR-free，能源教主导地域），不论是凸里借是仄里催化剂，电流稀度皆战活性位面稀度成正比，电池功能与决于活性位面稀度；正在较低电压下（~0.6V_iR-free，能源教、传量、欧姆阻抗配开克制区），随活性位面稀度的删减，仄里催化剂电流稀度提降逐渐受限；相同，凸里催化剂依然贯勾通接线性删减关连，那是由于小大的中比概况积可能约莫赫然提降氧气的传输，保障了活性位面正在小大电流下的充真操做。

图五、凸里Fe-N-C单簿本催化剂（TPI@Z8(SiO₂)-650-C）与文献报道的其余铁基催化剂的齐电池功能比力。a. 1 bar H₂–O₂条件；b. 1 bar H₂–air条件。

【课题组简介】

水江澜传授课题组自2015年正在北京航空航天小大教质料教院竖坐以去，起劲于储氢质料、量子膜燃料电池催化剂斥天，环抱若何后退非铂催化剂的活性战晃动性睁开深入、系统的钻研，患上到了多少多尾要功能。斥天出Fe-N-C单簿本催化剂小大规模绿色固相分解格式，并初次将单簿本催化剂用于量子膜燃料电池，后退了Fe-N-C催化剂的电池活性（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1204–1208）；收现Pt簿本接枝格式改擅Fe–N–C催化剂的晃动性，使电池晃动性提降一倍（Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701345）；收现石朱烯纳米带边缘的Zigzag型缺陷碳具备相对于金属基催化剂愈减晃动的燃料电池功能，为斥天下晃动性非铂燃料电池提供了新思绪（Nat. Co妹妹un. 2018, 9, 3819）。

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