哈工大王振波教授课题组在燃料电池非贵金属催化剂活性中心演化研究方面取得重要进展学术资讯

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近日，哈尔滨工业大学化工与化学学院王振波教授和纽约州立大学布法罗分校的武刚教授合作以ZIF-8高温碳化后的氮掺杂碳（ZIF-NC）为基体，经Fe3+吸附和热活化过程制备了具有原子级分散FeN4活性中心的Fe-N-C催化剂，并借助该模型系统研究并揭示了高性能FeN4活性中心在热活化过程中的形成机理。

高性能、低成本非贵金属氧还原催化剂的研究制备是实现质子交换膜燃料电池商业化应用的关键，Fe与N共掺杂的碳材料（Fe-N-C）是目前活性最高的非贵金属催化剂，其中FeN4配位结构被认为是最主要的活性中心。但是高性能FeN4活性中心的形成机理尚不明确，因为现有催化剂都是通过高温热解过渡金属盐、氮源、碳源组成的前驱体制备的，Fe-Nx结构的演化过程与高温碳化过程及氮掺杂过程同时发生。探索并研究FeN4活性中心的形成机理有助于Fe-N-C催化剂的合理设计与性能的进一步提高。

研究团队首先借助透射电子显微镜（TEM）、Raman、N2吸脱附测试、X-射线粉末衍射（XRD）以及X-射线光电子能谱（XPS）等物理表征确认了上述模型系统的有效性—碳基体的形貌、结构以及氮掺杂在热活化过程中并没有发生明显的变化。随后借助原子级分辨率的扫描透射电子显微镜（STEM）以及X-射线吸收光谱（XAS）对热活化过程中Fe物种的分散状态与结构演化进行了表征分析，借助旋转圆盘圆环电极及燃料电池对催化剂的性能演化进行测试，建立了热活化过程中催化剂结构-性能演化关系并对其进行了第一性原理研究。

除此之外，该模型体系首次实现了在不改变碳基体孔结构及氮掺杂的前提下对FeN4活性中心密度的调控，为其他相关理论研究提供了良好的平台。经过对碳基体结构及Fe3+吸附量的优化之后，所得催化剂在H2SO4中催化ORR的半波电位高达0.84 V（vs. RHE, 0.6 mg/cm2），燃料电池测试中0.9 V处电流密度高达30 mA/cm2（美国能源部目标44 mA/cm2），是现有报道的最高值。

相关结果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201909312），文章的第一作者是哈尔滨工业大学的博士研究生李加展，哈工大为论文的第一通讯单位。

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