成果簡介
在氫氧質子交換膜燃料電池（PEMFC）中，富含稀土的鐵氮摻雜碳（Fe–N–C）催化劑有很大的潛力替代貴金屬催化劑進行氧還原反應（ORR）。本文，暨南大學Yinlong Wu等研究人員在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為“Fe-N4 Doped Carbon Nanotube Cathode Catalyst for PEM Fuel Cells”的論文，研究報道了以雙金屬-有機骨架（MOF）為前驅體，透過球磨和兩步熱解法制備Fe-N4部分摻雜的碳奈米管（CNT）。該催化劑具有較高的ORR催化效能和穩定性。與傳統的無機鐵源不同，MOF結構可以有效地阻止鐵金屬在熱解過程中的聚集。在PEMFC中，催化劑顯示出高電流密度（0.7V時為0.39A/cm2）和功率密度（850 mW/cm2）。該方法為合理設計氫氧質子交換膜燃料電池高催化活性的FeNC催化劑提供了啟示。
圖文導讀
圖1. FeNC 催化劑的製備示意圖。
圖2. (a) ZIF-8 和 (b) MIL-101(Fe) 的掃描電子顯微鏡 (SEM) 影象；(c) MIL-101(Fe)透射電子顯微鏡 (TEM) 影象；(d) FeNC-1:20 的 SEM 和 (e-f) TEM 影象；(g) 高解析度透射電子顯微鏡 (HRTEM) 和 (h, i) FeNC-1:20 的 EDS 元素圖。
圖3. (a)穆斯堡爾光譜；(b) FeNC-1:10、FeNC-1:15、FeNC-1:20和FeNC-1:25的拉曼光譜；(c) N 2吸附/解吸等溫線；(d) XPS 和 (e) N1s 和 (f) FeNC-1:20 的 Fe 2p 分析；(g) Fe k-edge XANES 光譜；(h) FeNC-1:20、Fe箔、FeO、Fe 2 O 3、Fe 3 O 4和FePc的EXAFS光譜的k 3加權傅立葉變換；(i) FeNC-1:20的k 3加權小波變換(WT)。
圖 4. (a) FeNC-1:10、FeNC-1:15、FeNC-1:20、FeNC-1:25 和商用 40% Pt/C 在 0.1 M HClO 4 中的ORR 極化曲線；(b) 塔菲爾地塊；(c) FeNC-1:10、FeNC-1:15、FeNC-1:20、FeNC-1:25和40% Pt/C的n數和H 2 O 2產率；(d) 在不同轉速下測量的 FeNC-1:20 的 ORR
圖5. (a) FeNC-1:10、FeNC-1:15、FeNC-1:20、FeNC-1:25 和 40% Pt/C 在 H 2 -O2 PEMFC 中作為陰極催化劑的效能。(b) 吡啶-N或Fe-Nx之間的線性關係和電流密度。
圖6. (a) FeN4 的計算電荷密度差異；(b) FeN4和石墨烯上的O2解離勢壘；(c) 考慮電極電位（U=0和1.23V）的酸性條件下催化 ORR 的反應能量途徑；(d) FeN 4位點上的 ORR 機制步驟。
文獻：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c15554
