燃料电池超越了传统热机的局限性，提供了一种更高效、更环境友善的方式来产生清洁电力。与阳极氢氧化反应相比，燃料电池的阴极反应(氧还原反应(ORR))的动力学缓慢，这极大地限制了燃料电池的整体效率。铂族金属(PGMs)对ORR表现出良好的催化性能，但其高昂的成本和稀缺性限制了它们的广泛应用。碳基单金属原子催化剂，即M-N-C型催化剂，在阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)中表现出优异的性能。然而，由于不可控的热解制备过程，目前合成的M-N-C催化剂经常表现出不均匀的配位结构，增加了后续机理研究的难度。
此外，为了保证M-N-C型催化剂中金属中心的孤立状态，需要降低原子中心密度，这增加了传质阻力，大大降低了这些催化剂在燃料电池中的性能。因此，开发具有明确活性中心和高活性中心密度的催化剂是一项重要而具有挑战性的工作。
近日，北京化工大学孙晓明、田书博和庄仲滨等报道了具有明确的活性中心和高中心密度的Co(CN)3微晶，解决了传统M-N-C催化剂中存在的问题。具体而言，研究人员采用湿化学法成功合成了立方体(Co(CN)3-Cub)和八面体(Co(CN)3-Oct)Co(CN)3微晶，并将其用作ORR催化剂。
SCXRD和基于同步辐射的XAS证实了Co(CN)3的孤立位性质，其中Co位由三个碳和三个氮配位，与传统的碳质Co-N-C材料具有基本相同的配位环境；但由于氰化物阴离子尺寸较小，所以Co(CN)3位点密度远高于传统的Co-N-C。
研究人员还研究了Co的配位数与性能的关系：具有五配位Co位点的Co(CN)3-Cub显示出0.90 VRHE的ORR半波电位(E1/2)显着超过Co(CN)3-Oct，并且它们的E1/2在10000次循环后分别下降约20和35 mV，表现出优异的稳定性。同时，由于Co(CN)3催化剂具有较高的活性、稳定性和中心密度，以Co(CN)3-Cub作为阴极组件的AEMFC，峰值功率密度高达1.67 W cm-2。
此外，机理研究表明，通过调节配位数来调节Co(CN)3-Cub和Co(CN)3-Oct的d带中心，减弱了*OH吸附能以提高ORR性能。总的来说，该项工作不仅证明了Co(CN)3微晶在燃料电池中的应用前景，而且具有明确的配位点Co(CN)3晶体还为研究结构-性质关系提供了参考体系。
Co(CN)3 catalysts with well-defined coordination structure for the oxygen reduction reaction. Nature Catalysis, 2023. DOI: 10.1038/s41929-023-01047-7
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