孙世刚/姜艳霞/张斌伟ACS Nano：FeN4位点与PtFe合金电子耦合，实现超低Pt负载并高效催化ORR

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为一种可靠和有效的清洁能量转换装置。为了提高质子交换膜燃料电池的性能，须使用贵金属铂(Pt)作为催化剂，以加速反应动力学。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阳极氢氧化反应(HOR)速度较快，只需要少量的Pt，而阴极氧还原反应(ORR)速度较慢，需要较多的Pt才能获得理想的性能。由于Pt的储量稀少和高昂的成本，PEMFC的成本显著增加，从而阻碍了其商业化。因此，开发超低Pt负载的阴极催化剂并实现Pt的有效利用和提高催化剂持久稳定性对于推动PEMFC实际应用具有重要意义。

近日，厦门大学孙世刚、姜艳霞和重庆大学张斌伟等采用气相沉积法制备了超低Pt负载量(0.64 wt%)的FeN₄-PtFe合金复合电催化剂(PtFe-FeNC)。其中，FeNC载体上的FeN₄位点能够有效地锚定PtFe合金，从而抑制其在长期循环过程中的聚集。反过来，这些PtFe合金可以有效地抑制FeNC载体中FeN₄位点的浸出。

因此，PtFe-FeNC在0.9 V下对ORR反应表现出改善的Pt质量活性(2.33 A mg_Pt^-1)，比商业Pt/C (0.18 A mg_Pt^-1)高12.9倍。同时，PtFe-FeNC催化剂还表现出良好的稳定性，经过70000次循环后，Pt的质量活性仅下降9.4%。

研究人员进一步将PtFe-FeNC装入到膜电极组体的阴极中，其在0.9 V(无iR补偿)时的质量活性为1.75 A mg_Pt^-1，远高于商业MEA (0.25 A mg_Pt^-1)；此外，这种PtFe-FeNC催化剂在H₂-O₂质子交换膜燃料电池中表现出增强的稳定性，在30000g个循环后峰值功率密度(P_max)为0.391 W cm^-2，仅发生12.5%的P_max衰减。

总的来说，该项研究强调了PtFe合金与FeN₄中心之间电子耦合的重要性，为提高应用于燃料电池的Fe/N/C催化剂的耐久性提供了一种有效的途径。

FeN₄ active sites electronically coupled with PtFe alloys for ultralow Pt loading hybrid electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c08570