李佳副研究员、刘建国教授，Small观点：用于显著提升单原子Fe–N–C氧还原催化剂稳定性的普适性策略

提高单原子Fe–N–C阴极催化剂在H₂–O₂燃料电池中的稳定性并探究其机制

第一作者：吴永康

通讯作者：李佳*，刘建国*

单位：南京大学，华北电力大学

质子交换膜燃料电池具有高效、便携及零排放等特点而被认为是一种理想的能源转化装置。然而，其普适化应用却被Pt资源的稀缺性所限制。大力开发高效的非贵金属阴极催化剂具有重要意义。大量研究证实单原子Fe–N–C催化剂材料在酸性电解液中具有可比拟Pt基催化剂的活性，但是，在实际的H₂–O₂燃料电池中却仍然存在巨大的差距。更关键的是，Fe–N–C催化剂是非常不稳定的，尤其是对于那些高催化活性的催化剂。

本篇通过一种普适化的N–C保护层策略展示了一种兼高功率密度输出（>1 w cm^‒2）和高稳定性（>40 h，0.7 V恒压放电）的Fe–N–C阴极催化剂材料。本工作详细概述了N─C保护层其厚度与燃料电池性能和稳定性的关联性。在此基础上，探究了Fe–N–C阴极催化剂在H₂–O₂燃料电池中稳定性的提高机制。为未来的研究提供了方向，有助于加速高功率输出和高稳定性非贵金属阴极催化剂在燃料电池中的实际应用。

基于此，来自华北电力大学的刘建国教授团队在国际知名期刊Small上发表题为“Generalized encapsulations of ZIF-based Fe–N–C catalysts with controllable nitrogen-doped carbon for significantly-improved stability toward oxygen reduction reaction”的观点文章。该观点文章提出了一种改善单原子Fe–N–C催化剂稳定性的普适化策略，通过调控N–C包覆层的厚度总结分析了其对性能与稳定性的变化规律，同时探究了包覆后Fe–N–C催化剂在H₂–O₂燃料电池中的稳定性提升机制。

图1. 可控N–C包覆策略方案及性能提升。

聚多巴胺（PDA）具有广泛的可得性、低成本和独特的特性，在催化剂和电池领域中作为保护涂层而得到广泛应用。本工作中通过简单的调控多巴胺单体的含量，可以有效地控制PDA的包覆厚度，进而实现有效地调控N–C包覆层的厚度。

要点二：优异的电性能

通过合理的调控N–C包覆层厚度制备得到了一款超优异性能的催化剂材料Fe–N–C@NC-25。其中，在半电池测试中进行2000次加速衰减试验（ADT，0.6 V-1.0 V）后，其在0.8 V下的电流密度衰减仅为8.6%；在H₂–O₂燃料电池中（80℃，2 bar，100 RH%），其输出功率>1 w cm^-2，0.7 V恒压放电稳定性>40 h。

要点三：N–C包覆层的厚度和电化学性能之间的相关性

详细表征了不同N–C包覆层厚度对催化剂的性能影响并总结了其变化规律。增加N–C涂层厚度可能更有利于提高单原子Fe–N–C催化剂材料的稳定性，但同时会减少可利用的活性位点密度并增加氧传质阻力，因此对其催化活性有负面影响。

要点四：稳定性提升的机理

N–C包覆层拥有更高的石墨化程度，从而对内核Fe–N–C催化剂材料起到保护作用。通过对其双电层电容面积对比发现，未经过包覆的Fe–N–C双层电容增加了>41.30%，而包覆后的仅为9.63%，表明N–C包覆层可以有效地降低碳腐蚀；另一方面，通过对稳定性前后的Fe原子含量检测发现，包覆后的Fe–N–C催化剂材料的Fe流失得到了明显地抑制。因此，本文中稳定性提高的机制是N–C保护层可以同时有效地抑制碳腐蚀和Fe流失。

Generalized encapsulations of ZIF-based Fe–N–C catalysts with controllable nitrogen-doped carbon for significantly-improved stability toward oxygen reduction reaction

李佳副研究员简介： 博士毕业于大连理工大学，2017年加入南京大学，先后任博士后、特任副研究员，2022年2月加入华北电力大学，任副研究员。主要从事PEM电解水及燃料电池的关键材料和相关技术研究，主要包括新型电催化剂设计与制备、高性能膜电极设计与制备等。在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Catalysis, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Catalysis等国际、国内学术期刊上发表学术论文49篇，申请国家发明专利20余项。

出版专著《质子交换膜燃料电池关键材料与技术》（化学工业出版社）1部。作为项目或课题负责人，先后主持了包括国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、江苏省博士后科研资助计划等在内的多项科研项目。担任Advanced Functional Materials、Journal of Membrane Science、Journal of Energy Chemistry、Artificial Intelligence Review等期刊审稿人。

主持了氢能相关的国家重点专项课题、国家自然科学基金、江苏省杰青基金等国家地方和企业委托项目30余项。入选“江苏省333工程”、“江苏省青蓝工程”、“江苏省六大人才高峰高层次人才”。发表SCI论文120余篇，引用超过6300次，H因子42。担任PNSMI（SCI期刊）和《电化学》杂志编委，出版了《燃料电池关键材料与技术》、《可再生能源导论》和《先进材料合成与制备技术》等教材和专著。

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