【催化】新型Fe3C基电催化剂：适用于宽泛pH值条件下的氧还原学术资讯

来源：Wiley

燃料电池被认为是未来电动汽车的电源，氧还原电催化剂可显著提高燃料电池的性能。目前常用的Pt基颗粒催化剂中Pt用量较大而且容易发生团聚和迁移，这些因素阻碍了燃料电池商业化的进程。因此，设计开发出低成本、高活性及高稳定性的非贵金属电催化材料具有重要意义。其中过渡金属-氮-碳电催化剂如Fe-N-C材料，因其储量丰富和活性高的优势而成为了人们的研究热点。Fe-N-C催化剂通常通过热解含有Fe、N和C的前驱体材料制备而成，在生成Fe-Nx活性位的同时，往往伴随着其他活性成分的出现，如Fe/Fe3C等。然而，目前所报道的Fe3C基电催化材料通常致力于提高催化剂在酸性或碱性条件下的电催化活性，却很少能够在中性条件下进行工作。从更广泛的实际应用角度考虑，微生物燃料电池作为一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置则需要催化剂能够在中性条件下进行工作，其在污水处理和生物传感器等领域展现出了广阔的应用前景。基于以上考虑，中国海洋大学材料科学与工程学院黄明华教授课题组设计出了Fe/Fe3C纳米颗粒与Fe-Nx活性位共存的空心球结构：Fe-N-C氧还原电催化剂。其在宽泛的pH条件下，均可以展现出与商业Pt/C催化剂相近的催化氧还原性能。

课题组首先采用软模板法制备出尺寸均一并具有丰富含氧功能团的空心聚合物球，并以此作为碳前驱体进行元素Fe和N的“锚合”，通过进一步高温煅烧得到氮掺杂的空心碳球负载Fe/Fe3C催化剂（Fe/Fe3C/NHCS）。TEM表征显示出该催化剂保持着较为完整的空心球结构，HRTEM、XRD、Raman及XPS表征证明了Fe/Fe3C纳米颗粒和Fe-Nx共同存在于所制备的电催化剂中。课题组进行了该催化剂在不同pH条件下多适应性催化氧还原性能测试，结果表明无论是在碱性、酸性还是中性条件均展现出了良好的氧还原电催化活性、稳定性及抗甲醇毒化性能，进一步分析表明Fe/Fe3C纳米颗粒与Fe-Nx活性位之间的协同效应使该催化剂展现出优异氧还原电催化性能。此种高效稳定的多适应性空心碳球基催化剂有利于碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池以及微生物燃料电池技术的进一步发展，为燃料电池的应用提供了更广阔前景。

相关工作以内封面和热点文章的形式发表在Chem. Eur. J.。

Fe/Fe3C Nanoparticles Encapsulated in N-Doped Hollow Carbon Spheres as Efficient Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction over a Wide pH Range

Yanhui Liu, Xingkun Wang, Bolin Zhao, Xin Shao, Minghua Huang*

Chem. Eur. J., 2019, DOI: 10.1002/chem.201806111

来源：X-molNews X一MOL资讯

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