降低貴金屬Pt用量，同時提高Pt基ORR電催化劑的電催化氧還原反應（ORR）活性和穩定性是實現燃料電池規模化應用的關鍵。在這里，開發了一種有效的策略，通過均勻的 Pt 納米顆粒 (≈4.0 nm) 和在有序介孔碳 (OMC) 表面上修飾的大量原子分散的 Fe-N 4位點之間的強電子相互作用來減少 Pt 的使用，從而有效提高 ORR 性能。密度泛函理論 (DFT) 計算表明，Pt 和 Fe–N 4位點之間的強電子相互作用使 Pt@Fe–N–OMC-2 中 Pt 的 d 帶中心相對于制備的 Pt 降低了 0.21 eV @OMC，說明O2變弱了含氧物質在 Pt 位點上的吸附和加速解吸。原位拉曼光譜表明，Fe–N 4基團的引入促進了 O–OH 解離過程。有限元法模擬表明，通過修飾 OMC 表面的 Fe–N4位點，增強了嵌入 Pt 納米粒子表面的電場和熱場，加速了 ORR 相關物質（O2、H
+和 H2O）的積累), 有利于電催化 ORR。這種創新方法不僅說明了 Pt 和 Fe-N 4位點之間的協同機制，而且同時為設計用于燃料電池的高級電催化劑提供了新途徑。
Fig 1. a) Pt@Fe–N–OMC 的合成示意圖。 b) TEM，c,d) HADDF-STEM 圖像，和 e-i) 準備好的 Pt@Fe-N-OMC-2 的元素映射。
Fig 2. 所制備的 Pt@OMC 和 Pt@Fe–N–OMC-2 的 Pt 4f 光譜 a) 和價電子光譜 b)。 Pt@Fe–N–OMC-2 的 N 1s 光譜。c) Fe-N-OMC-2、Pt@Fe-N-OMC-2 和參考樣品的 Fe k-edge XANES 光譜 d) 和 FT-EXAFS 信號 e)。 Fe-N-OMC-2 f)的FT-EXAFS光譜的擬合。插圖是相應的 Fe-N4 部分。
Fig 3. ORR 活性表征：Fe–N–OMC-2、Pt@OMC、Pt@Fe–N–OMC-2的 LSV 曲線 a)、相應的半波電位 b)、質量和比活性 c) 以及 CVs d) , 和商業 Pt/C; 分別以 Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt/C (20 wt.%) 作為陰極催化劑的膜電極組件 (MEA) 的 PEMFC 極化曲線 e) 和功率密度曲線 f)。陽極 Pt 負載量：0.2 mg Pt cm -2，陰極 Pt 負載量：0.2 mg Pt cm -2對于 Pt/C，0.1 mg Pt cm -2對于 Pt@Fe–N–OMC-2。電池溫度：80 °C。100% 加濕 H 2和 O 2的流速：200、300 sccm。背壓：0.1 m Pa。a)的插圖是MEA測試的照片。
Figb 4. ORR 穩定性表征：a,d) O 2 -飽和 0.1 m HClO 4溶液中的 LSV ，b,e) N 2 -飽和 0.1 m HClO 4溶液中的 CV 變化，c,f) Pt@ 的 ECSA 和半波電位Fe–N–OMC-2 和商用 Pt/C。
Fig 5. a) 計算吸附在嵌入石墨烯層中的Fe-N 4部分的不同位置上的四原子 Pt 4簇的結合能。b) Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt@OMC 表面原子的電子密度差異。藍色和紅色分別代表電荷耗盡和電荷積累。c) Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt@OMC 的自由能圖。d) Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt@OMC 中表面 Pt 原子的預計電子態密度。e) 吸附在 Pt@OMC 和 Pt@Fe–N–OMC-2 表面的含氧物質在 O 2飽和的 0.1 m HClO 4溶液中在 0.5 V（相對于 RHE）的給定電位下的原位拉曼光譜。
Fig 6. 有限元模擬。Pt@OMC a,c)和Pt@Fe–N–OMC-2 b,d)在給定電位0.9 V下的電場分布和熱場分布。(a–d)中的插圖是局部放大選定的區域。
相關研究工作由中山大學Yi Wang課題組于2023年在線發表在《Adv. Energy Mater》期刊上，原文：Electronic Enhancement Engineering by Atomic Fe-N4 Sites for Highly-Efficient PEMFCs: Tailored Electric-Thermal Field on Pt Surface。
轉自《石墨烯研究》公眾號
