研究开发出质子交换膜燃料电池铁/氮-碳非贵金属催化剂

中国科学院
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质子交换膜燃料电池(PEMFC)被誉为“氢气的充电宝”,具有高效率、快启动、零排放等优势,在交通、便携式电源和固定式发电等领域具有应用潜力。近日,中国科学院过程工程研究所王丹、张锁江团队等合作,基于纳米级中空多壳层结构(HoMS),创新性开发出“高曲率内壳层活化位点+带负电外壳层防护促脱”的曲面单原子铁催化剂(CS Fe/N-C),构建出独特的“外护内催”微环境。实验结果表明,CS Fe/N-C可在PEMFC中替代铂等贵金属催化剂,并具备优异的输出性能与长期稳定性。wd4速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

目前,PEMFC的催化剂多为铂(Pt)等贵金属,储量有限、价格高昂,严重制约了PEMFC的规模化生产。铁/氮-碳(Fe/N-C)材料因成本低、活性较高,被视为PEMFC中贵金属催化剂的有力替代者,但其活性位点对含氧中间体结合过强,限制了反应动力学;Fe在H2O2与·OH等活性氧环境中易发生Fenton反应,导致脱金属和性能衰退。此外,现有Fe/N-C多以堆叠石墨烯或块体碳为载体,活性位点暴露受限,影响了Fe/N-C材料的市场化应用。wd4速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

面对上述难题,研发团队创新性地设计合成了二维碳层上具有大量纳米Fe/N-C HoMS的三维催化剂CS Fe/N-C。该纳米Fe/N-C HoMS直径约10 nm,高约4 nm,约有五个壳层。Fe单原子主要分散于内壳层,面密度高达1.6  No. nm-2,97.6%位于内部四个椭球面壳层上。同步辐射XAS表明,内壳层Fe原子价态接近+2,配位构型为FeN4C10;穆斯堡尔谱进一步揭示其以高活性的低自旋态D1为主,占比达57.9%。理论计算显示,单纯提升Fe-N4位点曲率反而会增强中间体结合强度,抑制其脱附而降低催化活性;而引入铁原子缺失的氮掺杂碳外层后,外层氮原子对内层吸附中间体的氧原子产生显著静电排斥(0.63–1.55 eV),有效削弱结合强度,打破了ΔG*OH、ΔG*O与ΔG*OOH间的线性关系,促使催化性能大幅提升。该策略使得CS Fe/N-C的过电位显著降至0.34 V(优于平面结构的0.61 V),并有效抑制了2e‐路径(H2O2)的生成,提升了反应选择性与稳定性。在5 cm2单电池测试中,该催化剂展现出目前报道的最优综合性能:在1.0 bar H2-air条件下,峰值功率密度达0.75 W cm-2;经303小时恒压运行后,仍保持86%的初始电流。wd4速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

该研究构建了可叠加、模块化的单原子催化剂设计思路,通过“内层催化位点+外层防护促脱”协同优化吸附-反应-促脱防护三要素,使非贵金属催化剂在PEMFC中具有优异性能,为未来高性能燃料电池催化剂设计提供了新范式。wd4速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关工作于8月13日发表在《自然》(Nature)上(DOI:10.1038/s41586-025-09364-6)。wd4速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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