氧还原反应(ORR)是阴极质子交换膜(PEM)燃料电池的一个重要过程，决定了其整体性能和耐久性。由于ORR在酸中反应动力学缓慢，目前的阴极催化剂仍以铂及其合金为主。然而，铂催化剂的稀缺性和高成本严重阻碍了质子交换膜燃料电池的大规模商业化。因此，迫切需要开发具有高催化活性和良好耐久性的不含铂族金属(PGM)的替代催化剂，使PEM燃料电池能够用于大规模生产和其他应用。
基于此，纽约州立大学布法罗分校武刚和华南理工大学廖世军等将Zr和Fe双金属中心共掺杂到ZIF-8衍生的介孔碳中(Fe/Zr−N−C)，显著提高了ORR的耐久性。实验结果表明，所制备的Fe/Zr−N−C催化剂的半波电位为0.872 VRHE，仅比商业Pt/C催化剂(60 μgPt cm−2)低11 mV；ORR活性也显著提高，在H2/空气条件下获得了0.72 W cm−2的最大功率密度。并且该ORR阴极催化剂膜电极组体在恒定电流密度下连续运行20小时后，电压只衰减了25%；经过100 h的延长试验，Zr掺杂的Fe-N-C催化剂保持了40%的初始性能，优于未掺杂Zr的催化剂(仅运行20 h活性损失达70%以上)。密度泛函理论(DFT)计算表明，稳定性的提高可归因于Zr-Nx基活性中心的形成，与Fe-Nx基活性中心相比，Zr-Nx基活性中心具有更强的耐酸性。此外，Zr位点掺杂抑制了H2O2的生成，从而减轻了碳和活性位点的氧化；Zr和Fe之间可能的协同作用可以使Fe中心更耐酸。此外，由于形成了一个新的双金属位点(可能是N2(N)−Fe−N2−Zr−N2(O2))，原子中心的引入也大大提高了ORR的反应速率。该项工作中所提出的策略可进一步提供设计用于其他关键电催化过程的双金属中心催化剂，例如氧还原为H2O2、CO2还原和氮气还原等电化学反应。Promoting ZIF-8-Derived Fe–N–C Oxygen Reduction Catalysts via Zr Doping in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Durability and Activity Enhancements. ACS Catalysis 2023. DOI: 10.1021/acscatal.2c06118
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