海南大学饶鹏团队CEJ：弯曲Fe-N4位点助力高效酸性氧还原反应

第一作者：刘亚琳，李改

通讯作者：邱天宇，韩兴琪，潘勤鹤，饶鹏

单位：海南大学，海南师范大学

在质子交换膜燃料电池中，阴极侧的氧还原反应（ORR）作为核心电化学过程，直接决定着设备能量转换效率与综合性能。但该反应受限于缓慢的动力学特性，必须依赖高效催化剂驱动。当前铂基催化剂虽通过其对含氧中间体的理想吸附强度确立了ORR性能标杆，却因资源稀缺、成本高昂及稳定性缺陷等固有局限难以大规模应用。值得关注的是，具有原子级分散Fe-N₄活性位点的Fe-N-C催化剂，凭借其优异的电子传导特性和可扩展的合成工艺，在酸性环境中展现出媲美铂催化剂的活性水平。然而，ORR中间体在Fe-N₄位点上的结合能仍明显强于在铂表面的结合能，这导致了不利的吸附/解吸动力学，从而制约了催化体系的整体性能表现。当前，虽然已经开发了一系列的优化策略，但如何实现催化活性与稳定性之间的平衡仍存在极大挑战。

近日，海南大学饶鹏副研究员团队在Chemical Engineering Journal上发表题为“Curved Fe-N₄ sites endows effective oxygen reduction reaction in acid medium”的研究工作。该工作通过构建一种原子级弯曲的Fe-N₄活性位点，在酸性介质中实现了优异的ORR催化活性和稳定性。

催化剂通过石墨相氮化碳（g-C₃N₄）模板导向结晶法制备。高分辨电镜分析表明，Fe_SA-NCc催化剂呈现独特的三维凹面结构，HRTEM与SAED分析显示材料具有高度石墨化的介孔特征，且未检测到金属纳米颗粒。AC HAADF-STEM图像中观察到高密度孤立Fe亮点，配合EDS元素分布，最终证实Fe以单原子形式均匀锚定在氮掺杂碳基体中。

XRD图谱显示Fe_SA-NCc催化剂在25°和45°处出现石墨碳的（002）和（101）晶面衍射峰，且未检测到金属Fe峰，证实Fe以单原子形式存在。高分辨N 1s谱解析出吡啶N、Fe-Nx、吡咯N、石墨N和氧化N五种氮物种。XAS分析进一步验证了Fe物种的氧化态在0至+3之间，EXAFS拟合结果表明Fe_SA-NCc为Fe-N₄配位形式。小波变换EXAFS在4.0 Å-1处的强度峰再次确证Fe的原子级分散特性。

电化学数据证实Fe_SA-NCc具有优异的ORR催化性能。其半波电位显著优于商业Pt/C催化剂（0.836 V vs. 0.825 V）RRDE测试进一步显示，Fe_SA-NCc在0.2-0.8 V电位区间内H₂O₂产率低于1%，电子转移数接近4，表明其遵循四电子转移路径。此外，Fe_SA-NCc催化剂经过30000圈ADT测试后的半波电位仅衰减13 mV，远低于20% Pt/C（39 mV），证实其弯曲Fe-N₄结构兼具高活性和高稳定性。

为验证催化剂的实用性能，分别以Fe_SA-NCc和Fe_SA-NC作为阴极催化剂组装H₂-O₂和H₂-air燃料电池。测试表明：Fe_SA-NCc在H₂-O₂条件下的功率密度达755 mW cm^-2，显著优于Fe_SA-NC（484 mW cm^-2）；在H₂-air体系中仍能保持372 mW cm^-2的高功率密度。此外，Fe_SA-NCc在0.55 V恒压运行41小时后的电流密度衰减率远低于Fe_SA-NC，再次证实弯曲Fe-N₄结构在实际应用中的优越性。