多层多孔铁和掺氮碳催化剂，促进质子交换膜燃料电池中高效还氧

摘要：由于具有高能量转换效率和环保特性，质子交换膜燃料电池（PEMFC）在推动清洁能源技术发展方面备受关注。然而，阴极氧还原反应（ORR）的缓慢动力学特性严重制约了PEMFC的性能表现。铂基电催化剂的高成本与低耐久性迫使研究者开发替代性低成本过渡金属氮共掺杂碳（TM

1成果简介

由于具有高能量转换效率和环保特性，质子交换膜燃料电池（PEMFC）在推动清洁能源技术发展方面备受关注。然而，阴极氧还原反应（ORR）的缓慢动力学特性严重制约了PEMFC的性能表现。铂基电催化剂的高成本与低耐久性迫使研究者开发替代性低成本过渡金属氮共掺杂碳（TM-N-C）催化剂。然而，TM-N-C的ORR活性受限于碳基材上暴露的TM-Nx活性位点密度较低。

本文，苏州大学杨瑞枝教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Coupled soft-hard template-derived hierarchical porous Fe-N/C electrocatalysts facilitating efficient oxygen reduction in proton exchange membrane fuel cells”的论文，研究创新性地采用高内相乳液（HIPE）软模板与ZnO硬模板的复合策略，制备出多孔Fe-N共掺杂碳催化剂（HP-Fe-N/C）。这种软硬模板结合的方法构建了具有高度暴露Fe-Nx活性位点的多级多孔结构，显著促进了氧还原反应中的质量传递。

所得HP-Fe-N/C展现出优异的氧还原电催化活性，在0.1M HClO4溶液中达到0.75V的高半波电位，在0.1M KOH水溶液中达到0.89V。当应用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极催化剂时，该材料展现出528.4 mW cm⁻²的峰值功率密度，并在10小时工作后保持88.5%的初始电流密度。本研究为制备可精确调控的分级多孔碳基PEMFC电催化剂提供了新途径。

2图文导读

图 1. Schematic illustration of the synthesis of HP-Fe-N/C.

图2. (a) SEM image, (b) TEM image, (c) high-resolution TEM image and the corresponding SAED pattern, (d) STEM image and the corresponding C, N, and Fe elemental mappings of HP-Fe-N/C.

图3. (a) XRD patterns, (b) N2 adsorption-desorption isotherms, (c) the corresponding pore size distributions, (d) fitted SAXS scattering patterns and the corresponding pore size distribution of HP-C, HP-NC and HP-Fe-N/C.

图4. (a) Fe 2p and (b) N 1s XPS spectra of the HP-Fe-N/C catalyst.

图5. Electrochemical characteristics of the HP-C, HP-N/C, HP-Fe-N/C, and commercial Pt/C catalysts (20 wt.% Pt on carbon) catalysts. (a) CV and (b) LSV curves of the catalysts. (c) Values of E1/2 and the kinetic current density Jk obtained at 0.75 V for the catalysts. (d) Tafel plots, (e) Nyquist plots and corresponding equivalent circuit. (f) Resistance parameters R1, R2, and R3 obtained from numerical analyses of the EIS results in (e). (g) Peroxide yield (%HO2-, solid lines) and electron transfer number (n, dashed lines) calculated from RRDE measurements. (h) current-time (i-t) chronoamperometric of HP-Fe-N/C and Pt/C at 0.74 V (vs. RHE). (i) LSVs of ORR on HP-Fe-N/C and Pt/C before and after 10,000 cycles

图6. (a) Schematic illustration of the assembled PEMFC, mass transport and oxygen reduction reaction in the catalyst layer. (b) Polarization and power density curves of the PEMFC employing HP-Fe-N/C, HP-N/C, and HP-C as cathode catalysts under 1 bar H2-O2 atmosphere at 80 °C. (c) Durability performance of HP-Fe-N/C, HP-N/C, HP-C and Pt/C (20 wt.% Pt on carbon) in PEMFC evaluated at a constant voltage of 0.5 V.

3小结

综上所述，本文开发了一种便捷的高内相乳液软模板与ZnO硬模板联用方法，用于构建具有高密度Fe-N活性位点的分级多孔Fe-N/C（HP-Fe-N/C）催化剂。两种模板均可在高温退火过程中脱除，避免了繁琐的去除步骤。通过这种软硬模板协同作用，所得HP-Fe-N/C催化剂展现出卓越的氧还原反应活性：在0.1M HClO₄溶液中半波电位达0.75V，0.1M KOH溶液中达0.89V；同时具备优异耐久性，经酸性环境10小时工作后仍保持88.5%的初始电流密度。此外，当作为组装质子交换膜燃料电池阴极的电催化剂时，HP-Fe-N/C催化剂可实现528.4 mW/cm²的峰值功率密度。在工作10小时后，其初始电流密度仍保持88.5%。这项工作为设计兼具高活性和耐久性的非贵金属催化剂提供了新思路，该催化剂可应用于PEMFC等能量转换设备。

文献：