质子交换膜燃料电池具有环境友好、能量转换效率高、启动快速、燃料来源广泛等重要优点，被认为是最有可能在短期内实现大规模商业化应用的一类燃料电池。然而，需要使用价格高昂、资源短缺的铂作为阴极催化剂阻碍了这类电池的商业化进程。
开发价廉易得、高活性、高稳定性的碳基催化剂替代传统的Pt基催化剂已成为近年来燃料电池电催化剂研究领域的热点课题。通常这类催化剂活性密度及本征活性较低，为了获得高电池性能，研究者们使用的阴极催化剂载量常常高于商业Pt/C催化剂20倍以上。而高载量导致催化层较厚，增加了传质阻力，不利于阴极侧的水和热管理。有鉴于此，华南理工大学廖世军课题组采用金属有机气相掺杂策略，制备出了一类以MOFs为前驱体的单原子铁掺杂的多孔碳多面体催化剂，其Fe-Nx活性位密度可高达1.75812×1013 sites cm-2。
催化剂在质子交换膜燃料电池中表现出了优异的性能，以该催化剂作为阴极催化剂，在载量低至1 mg•cm-2（目前使用的载量一般为4 mg•cm-2）时制得的膜电极在氢氧质子交换膜燃料电池中的最大输出功率密度达到775 mW•cm-2，0.7 V时的电流密度达到637 mA•cm-2，0.6 V时达到1100 mA•cm-2。此外，在氢空质子交换膜燃料电池中，输出功率密度可达463 mW•cm-2（如图1所示），可完全媲美（或者好于）文献报道的高催化剂载量的结果。另外，该催化剂制备的膜电极还展现出良好的稳定性（初始10小时性能下降仅为32%）。这一研究结果为非贵金属催化剂的研究及应用提供了新的思路。
图1. 催化剂的SEM图（a）、及STEM图（b,c）及单电池测试结果（d）
这一成果近期发表在国际能源顶级期刊Advanced Energy Materials上，论文第一作者为博士生邓怡杰和池滨。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Atomic Fe-Doped MOF-Derived Carbon Polyhedrons with High Active-Center Density and Ultra-High Performance toward PEM Fuel Cells
Yijie Deng, Bin Chi, Jing Li, Guanghua Wang, Long Zheng, Xiudong Shi Zhiming Cui, Li Du, Shijun Liao, Ketao Zang, Jun Luo, Yongfeng Hu, Xueliang Sun.
Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1802856, DOI: 10.1002/aenm.201802856
导师介绍
廖世军
https://www.x-mol.com/university/faculty/16853
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