苏大晏成林/南通大学钱涛​AFM：La2O3 调整铁d带中心的化学吸附方式增强阴离子交换膜燃料电池中的氧还原作用

开发阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）必须对高能非贵金属基催化剂的电子构型和中间产物吸附行为进行研究，以解决正极氧还原反应（ORR）动力学缓慢的问题，但这仍然是一项巨大的挑战。

在此，苏州大学晏成林，南通大学钱涛等人报告了一种稀土金属氧化物工程策略，即通过在掺杂 N,O 的碳纳米球（Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNSs）中形成 Fe₃O4/La₂O₃ 异质结构来实现高效的氧还原电催化。计算表明，La─O─Fe 异质界面形成的界面键有效地优化了 Fe d 带中心相对于费米级的电子结构，从而显著降低了 ORR 过程中限速步骤的反应壁垒。

对中间产物化学吸附的调节使 Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNSs 具有出色的 ORR 性能和更高的稳定性，半波电位值（0.88 V）显著提高。在实际的 AEMFC 工作条件下，该催化剂的功率密度高达 148.7 mW cm^-2，高于商用 Pt/C 耦合电极。

图1. DFT计算

总之，该工作开发出了掺杂 N、O 碳纳米球中的 Fe₃O₄/La₂O₃ 纳米粒子，并将其设计为一种高效 ORR 电催化剂。实验表明，La₂O₃ 的引入引起了铁活性位点的显著电子调制，使铁的 d 带中心下移到费米级，对氧相关中间产物具有适度的吸附行为，从而降低了反应能垒，提高了整个 ORR 过程的内在活性。同时，多孔 N,O-CNS 的 0D 多孔纳米球结构和高比表面积有利于在碳基体充分暴露更多的活性位点，有利于缩短电子和质量传输路径。

因此，Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNS 具有出色的 ORR 性能（半波电位为 0.88 V）和耐久性。相应地，Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNS 电极使 AEMFCs 达到了 148.7 mW cm^-2 的峰值功率密度和长达 100 h 的出色循环稳定性。因此，该工作可以促进高催化性和高稳定性的稀土金属氧化物改性 Fe-N-C 催化剂的开发，使其在 AEMFCs 中得到实际应用。

图2. 电化学性能

Tailoring the Chemisorption Manner of Fe d-Band Center with La2O3 for Enhanced Oxygen Reduction in Anion Exchange Membrane Fuel Cells, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202309886