氧還原反應(yīng)（ORR）在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等各種能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，鉑族金屬（PGM）基催化劑被認(rèn)為是高效可靠的ORR催化劑，但由于其稀缺性和不可持續(xù)性阻礙了其大規(guī)模發(fā)展。而Fe-N-C作為新興的催化劑，已被證明具有令人鼓舞的ORR活性，被認(rèn)為是Pt/C催化劑的有前途的低成本替代品。然而，它們具有在PEMFC中耐久性不佳的問(wèn)題，該問(wèn)題也成為了Fe-N-C催化劑商業(yè)化的一個(gè)重大障礙。
因此，開(kāi)發(fā)兼具活性和穩(wěn)定性的Fe-N-C催化劑迫在眉睫。為了解決 ORR 中 Fe-N-C 催化劑的活性與穩(wěn)定性權(quán)衡問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了多種策略。例如構(gòu)建局部缺陷的碳基體，雖然這樣可以提高ORR的活性，但這種缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)加速 ORR 過(guò)程中 FeN4 位點(diǎn)的脫金屬化，從而導(dǎo)致催化劑穩(wěn)定性降低。與之相對(duì)的，開(kāi)發(fā)具有更高耐腐蝕性/氧化性的石墨化碳骨架可以有效緩解活性位點(diǎn)的脫金屬化，提高穩(wěn)定性，但由于其缺乏足夠的缺陷和N配位位點(diǎn)導(dǎo)致催化劑的FeN4位點(diǎn)密度受限，從而使活性降低。因此，為了提高Fe-N-C催化劑的本征活性和穩(wěn)定性，需要為碳結(jié)構(gòu)中的FeN4活性位點(diǎn)創(chuàng)造最佳的局部配位環(huán)境。
嵌入碳平面中的 FeN4位點(diǎn)的 Fe 原子通常錨定在兩種類(lèi)型的配位環(huán)境中，即原位穆斯堡爾分析識(shí)別的具有吡咯-N 連接環(huán)境（S1 位點(diǎn)）的 FeN4C12構(gòu)型和具有四個(gè)吡啶-N配體（S2位點(diǎn)）的FeN4C10構(gòu)型。FeNxS1位點(diǎn)被認(rèn)為具有高活性，但可以通過(guò)高自旋態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴换顫姷难趸F而降解，而低/中自旋位點(diǎn) FeN4 S2 位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)相對(duì)更穩(wěn)定，但內(nèi)在活性相對(duì)較低。因此，如何開(kāi)發(fā)兼具活性和穩(wěn)定性的Fe-N-C催化劑，解決催化劑活性和穩(wěn)定性的權(quán)衡問(wèn)題是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。
文章鏈接 https://doi.org/10.1002/aenm.202303733