質子交換膜（PEM）燃料電池是高效的清潔能源轉換裝置，它需要高活性催化劑才能在陰極處進行氧還原反應（ORR）。鉑族金屬（PGM）具有最高的ORR活性，目前被大規模用作PEM燃料電池中的陰極催化劑。在大規模生產中，它們約占PEM燃料電池總成本的一半，而高昂的成本使它們無法大規模應用。因此，對于質子交換膜燃料電池（PEMFC）中的氧還原反應而言，開發不含鉑族金屬（PGM）并且具有高活性和耐久性的催化劑是一個巨大的挑戰。近日，來自紐約州立大學Xiaohong Xie的等人在《Nature Catalysis》報告了一種原子分散的Co和N共摻雜碳（Co–N–C）催化劑，其催化氧還原反應活性與用類似方法合成的Fe–N–C催化劑相當，但耐用性是后者的四倍。另外，Co-N-C催化劑在1.0 bar的H2/ O2氣體壓力以及0.9V的開路電壓的條件下測得的電流密度為0.022A cm-2、峰值功率密度為0.64 W cm-2。本文確定了金屬（M）–N-C催化劑的兩種主要降解機理：自由基對催化劑的氧化作用和活性位的脫離金屬作用。Co–N–C相對于Fe–N–C的耐久性的提升主要是由于Co離子在Fenton反應中的活性較低。Fenton反應從主要的氧還原反應副產物H2O2產生自由基，并且顯著增強了Co–N–C的脫離金屬的能力。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41929-020-00546-1

 

 

 

 

 

圖1 |原子分散的Co–N–C催化劑的合成與表征示意圖

 

 

圖2 | Co–N–C催化劑的結構表征示意圖

 

 

圖3| RRDE和PEM燃料電池性能測量示意圖

 

 

圖4 |在RRDE和MEA上研究了催化劑的耐久性示意圖

 

 

圖5 |對降級機制的基本理解示意圖

結語：

本文通過采用兩步封裝和配體交換方法將CoN4部分固定和圍在ZIF-8微孔中從而合成了一種高性能原子分散的Co–NC（1.0）催化劑。這種方法顯著提高了CoNx位點的密度，從而提高了催化ORR活性。Co–NC（1.0）催化劑在開路電壓0.9V的條件下達到了0.022 A cm-2的高電流密度，在開路電壓0.87V的情況下達到了0.044 A cm-2的高電流密度（僅比美國相關部門的目標低30 mV）。H2 / O2 PEM燃料電池測試的能量（DOE）和峰值功率密度為0.64 W cm-2，這是非Fe M–N–C ORR催化劑報道的具有最高活性催化劑。Co–NC（1.0）中的ORR活性位點主要位于碳的內部，更重要的是，與類似合成的Fe–NC（1.0）催化劑相比，本文的Co–NC（1.0）催化劑具有顯著增強的耐久性。（文：SSC）