Small：高活性单原子Fe/N/C催化剂实现高效氧还原反应

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCs)和金属-空气电池(MABs)具有环境友好和能源转换效率高的特点，在电动汽车和其他便携式电子应用中具有巨大潜力。铂基催化剂(Pt)具有最佳的氧中间体结合能，通常具有最高的氧还原反应(ORR)活性。

然而，有限的贵金属资源阻碍了它们的大规模商业化。因此，开发高性能的非贵金属催化剂(NPMC)是非常必要的。近年来，碳基材料(碳纳米管、石墨烯、多孔碳材料等)、金属硫族化合物/氧化物/氮化物/磷化物等因具有独特的结构和电子特性而引起了极大的研究兴趣，然而它们的本征催化性能与实际应用相差甚远，这意味着对电子结构的调控是非常需要的。

到目前为止，单原子分散的Fe/N/C单原子催化剂(SACs)具有丰富的Fe位点，有望取代Pt成为优异的ORR催化剂。因此，如何制备出性能优异的Fe/N/C SACs是十分迫切的。

基于此，宁波工程学院魏启亮、杨为佑以及宁波大学刘新才(共同通讯)等人通过微波辅助快速制备了高质量的Fe/N/C SACs，与传统工艺相比，该策略大大提高了反应速率，并显著降低了能耗。

本文通过调整Fe(NO₃)₃·9H₂O的含量(命名为Fe/N/C-MW-X mg)和不同的微波条件(Fe/N/C-MW-YW)制备出了一系列催化剂，并在0.1 M KOH电解液中对这些催化剂进行了性能测试。测试结果表明，当Fe(NO₃)₃·9H₂O的质量从60 mg增加到120 mg时，催化剂的半波电位(E_1/2)逐渐正移，这表明催化剂的活性位点数量不断增加。然而，当Fe(NO₃)₃·9H₂O的含量进一步增加至150 mg时，催化剂的ORR活性会显著降低，这可归因于暴露的活性位点较少。

之后，本文还比较了不同微波功率下制备的Fe/N/C-MW-120 mg的ORR活性，从而确定440 W为制备催化剂的最佳条件。测试后发现，Fe/N/C-MW具有0.90 V的E_1/2，超过了商业Pt/C(E_1/2=0.83 V)和Fe/N/C-HT(传统水热处理得到的Fe/N/C催化剂)(E_1/2=0.87 V)。Fe/N/C-MW的ORR活性的提高归因于Fe均匀掺杂而无集聚和具有高本征活性的FeN_x位点的比例增加。

根据ORR测试结果，本文进一步计算了Fe/N/C-MW和Fe/N/C-HT的电子转移数和H₂O₂产率。令人印象深刻的是，在0.2 V到0.8 V的电压范围内，Fe/N/C-MW的H₂O₂产率保持在2%以下，证实了Fe/N/C-MW具有极高的ORR催化效率。

为了研究它们在直接甲醇燃料电池(DMFCs)中的潜在应用，本文还对其耐甲醇特性进行了评估。在计时安培测试中，当在1100 s左右加入甲醇时，由于FeN_x位点对甲醇分子的惰性，Fe/N/C-MW的电流保持不变。

相比之下，当甲醇存在时，20% Pt/C催化剂的电流明显降低。因此，与20% Pt/C催化剂相比，Fe/N/C-MW复合材料对甲醇与ORR的竞争具有更好的耐受性。此外，为了评估催化剂的稳定性，本文在O₂饱和的0.1 M KOH溶液中进行了连续循环伏安测试，共9000次。

令人满意的是，Pt/C催化剂活性的ORR性能在循环后表现出显著的衰减，半波电位负移到一个更负的电位值。相反，Fe/N/C-MW催化剂在9000次循环测试中具有良好的稳定性，其半波电位仅损失了约27 mV，远小于Fe/N/C-HT催化剂(38 mV)。总之，本文的研究结果可能为制备用于能量存储和转换的新型电催化剂提供一种新的策略。

Microwave-Assisted Synthesis of Highly Active Single-Atom Fe/N/C Catalysts for High-Performance Aqueous and Flexible All-Solid-State Zn-Air Batteries, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202300683.

https://doi.org/10.1002/smll.202300683.

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Small：高活性单原子Fe/N/C催化剂实现高效氧还原反应

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