王毅/宋树芹AEM：Fe-N4位点调制Pt表面电热场，构建高效质子交换膜燃料电池

近年来，具有高能量密度的质子交换膜燃料电池(PEMFC)受到人们越来越多的关注。其中，氧还原反应(ORR)是质子交换膜燃料电池的阴极反应，其缓慢的动力学直接阻碍了质子交换膜燃料电池的整体效率。

尽管商业碳载铂(Pt/C)已被证明是ORR最有效的电催化剂，但其稀缺性、高成本和长期运行的不稳定性是PEMFC大规模应用的巨大障碍。为了解决这些问题，迫切需要减少Pt的使用，同时提高其活性和稳定性，或最终用非贵金属催化剂取代贵金属铂基催化剂。

近日，中山大学王毅和宋树芹等提出了一个原子分散的Fe-N₄位点和Pt纳米颗粒之间的协同增强策略，以显著提高电催化ORR的Pt的效能和稳定性。

具体而言，研究人员采用原子分散的Fe-N₄位点修饰负载Pt纳米粒子的有序介孔炭(OMC)，OMC由于其大的比表面积和有序的多孔结构而富集了Fe-N位点的含量，而且还通过其限制效应有效地防止了Pt纳米颗粒的高温烧结。优化后的Pt@Fe-N-OMC-2在酸性溶液中的ORR活性和稳定性优于商业Pt/C(20 wt%)。

更重要的是，基于Pt@Fe-N-OMC-2的MEA在0.9 V_iR-free时表现出0.25 A mg_Pt⁻¹的质量活性，显着高于商业Pt/C (0.165 A mg_Pt⁻¹)。

实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，Pt与Fe-N₄中心之间的强电子相互作用使Pt@Fe-N-OMC-2中Pt的d带中心相对于制备的Pt@OMC的d带中心降低了0.21 eV，表明氧化物在Pt中心的吸附减弱和解吸加速；并且Fe-N₄基团的引入促进了O−OH的解离过程。

此外，通过修饰OMC表面的Fe-N₄位点，加速与ORR相关物种(O₂、H⁺和H₂O)的积累，嵌入的Pt纳米颗粒表面的电场和热场得到增强，从而有助于电催化ORR。总的来说，该项工作不仅阐明了Pt和Fe-N₄中心之间的协同机制，同时也为设计先进的电催化剂以用于燃料电池提供了有效的策略。

Electronic Enhancement Engineering by Atomic Fe–N₄ Sites for Highly-Efficient PEMFCs: Tailored Electric-Thermal Field on Pt Surface. Advanced Energy Materials, 2023. DOI: 10.1002/aenm.202204371