第一作者：Jingsen Bai, Tuo Zhao, Mingjun Xu, Bingbao Mei

通訊作者：?邢巍，葛君杰、Jin?Zhao、王穎

通訊單位：中國科學院長春應用化學研究所，中國科學技術大學

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金屬-氮-碳（M-N-C）電催化劑的耐久性有限，嚴重限制了其在質子交換膜燃料電池（PEMFC）中氧還原反應（ORR）的適用性。本研究通過化學氣相修飾（CVM）方法，將活性位點的構型從FeN₄轉變為穩定的單對稱FeN₂+N’₂，并增強了碳載體的石墨化程度。

該改進有效解決了由于N-H鍵形成和2電子ORR產生的自由基攻擊導致的Fe活性中心的浸出問題。經過CVM處理的電催化劑展現出卓越的耐久性，在加速老化測試中，即使經過20萬次電位循環，其半波電位也幾乎沒有下降。

此外，在模擬燃料電池系統的運行條件下，電催化劑顯示出顯著的耐久性，能夠穩定運行超過248 h。這一顯著的耐久性改進為M-N-C電催化劑的實際應用提供了寶貴的見解。

圖文導讀

圖1：Fe-N-C和Fe-N-C_CVM的合成與表征

圖2：電催化劑中活性位點的布局

圖3：Fe-N-C和Fe-N-C_CVM在三電極裝置中的電催化性能

圖4：Fe-N-C和Fe-N-C_CVM正極電催化劑的MEA性能

圖5：密度泛函理論（DFT）計算以闡明FeN₄和FeN₂+N₂‘的活性和耐久性

總結展望

本研究開發了一種具有新型活性位點構型的電催化劑，通過化學氣相修飾顯著提高了其耐久性。Fe-N-C_CVM電催化劑在經過20萬次加速老化測試循環后，半波電位幾乎沒有衰減，并且在實際PEMFC測試中顯示出高電流密度和功率密度，以及超過248 h的穩定運行。

本工作不僅顯著提高了電催化劑的耐久性，而且為未來開發高穩定性非貴金屬電催化劑提供了寶貴的見解。

文獻信息

標題：Monosymmetric Fe-N₄ sites enabling durable proton exchange membrane fuel cell cathode by chemical vapor modification

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47817-0