​三单位联合AM：缺陷工程立大功！原子分散Fe催化剂实现高效氧还原！

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)被认为是一种有前景的环保能源转换装置，其可以降低环境污染和减少人类对化石燃料的持续依赖。然而，氧还原反应(ORR)的能垒阻碍了高性能PEMFCs的实现，因此在过去的几十年里，人们进行了大量的研究以获得优异的ORR催化剂。在这种情况下，基于铂族金属(PGM)的催化剂被认为是最理想的ORR电催化剂，因为它们对氧中间体具有适当的吸附能。然而，这些材料的高价格和低储量阻碍了它们的大规模应用。

基于此，韩国西江大学Seoin Back、韩国国民大学Segeun Jang和韩国科学技术院Jinwoo Lee(共同通讯)等人通过缺陷工程调整Fe-NC催化剂的局部环境，提高了其ORR性能。

为了研究缺陷工程对Fe-NC催化剂ORR活性的影响，本文利用旋转圆盘电极(RDE)以及线性扫描伏安法(LSV)在O₂饱和的0.5 M H₂SO₄电解质中对催化剂进行了电化学测试。研究后发现，Fe-NC催化剂表现出较低的起始电位(E_onset，0.87 V)和半波电位(E_1/2，0.803 V)，这表明其ORR性能不优异。相比之下，700 CO₂ Fe-NC催化剂则表现出优异的ORR性能，其E_onset为0.93 V，E_1/2为0.83V，这些值与先前报道的最先进的非贵金属催化剂相当，并且接近于商业Pt/C催化剂(Pt：20wt.%，E_onset=0.98 V，E_1/2=0.85 V)。

然而，进一步提高活化温度至800和900 °C时，催化剂的ORR性能显著降低，E_1/2分别为0.815和0.798 V。这种火山状的半波电位值趋势表明，700 CO₂ Fe-NC催化剂具有最优的缺陷结构。值得注意的是，与其他Fe-NC催化剂相比，700 CO₂ Fe-NC催化剂还表现出更高的动力学电流密度(16.09 mA cm^-2)和更低的Tafel斜率(59.26 mV dec^-1)，这些结果均表明其具有优异的ORR性能。

本文应用了一种简单的CO₂活化方法制备了Fe-NC电催化剂，并且基于CO₂活化和Fe³⁺吸附的两步合成策略形成了原子分散的含有Fe-N₄的Fe活性位点和具有相邻缺陷位点的轴向氧配体结构。根据Fe-N₄位点的本征活性和结构中缺陷数量之间的相关性，本文中使用不同活化温度制备的CO₂活化的Fe-NC电催化剂的ORR性能具有火山形状的趋势。很明显，700 CO₂ Fe-NC催化剂的电子结构包含了合适数量的缺陷位点，从而诱导了高效的ORR。

此外，密度泛函理论计算结果表明，Fe-N₄位点相邻孔隙数的变化，可使得Fe-N₄位点的电子结构发生改变，从而优化其中间体吸附能和ORR活性。更加重要的是，当利用ORR性能最优的700 CO₂ Fe-NC催化剂时，PEMFC(H₂/O₂)获得了最大的峰值功率密度。综上所述，本文的研究结果为优化原子分散的Fe催化剂的微环境以提高其ORR性能提供了指导，同时也表明了这类催化剂在其他电化学反应中的适用性。

Insight into Defect Engineering of Atomically Dispersed Iron Electrocatalysts for High-Performance Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202302666.

https://doi.org/10.1002/adma.202302666.