近日，我院姜艳霞教授和孙世刚院士课题组在质子交换膜燃料电池研究中取得新进展，相关研究成果以“Seizing Gaseous Fe2+ to Densify O2-Accessible Fe–N4 Sites for High-Performance Proton Exchange Membrane Fuel Cells”为题发表于《能源环境科学》(Energy Environ. Sci., DOI: 10.1039/D2EE00061J)。
质子交换膜燃料电池 (PEMFCs) 的商业化应用高度依赖高效﹑低成本的催化剂来驱动缓慢的阴极氧气还原反应 (ORR)。然而，以铂 (Pt) 为代表的铂系金属催化剂 (PGM catalysts)， 虽然具有最佳的ORR性能，但价格昂贵，而且，其有限的储量与强劲的市场需求之间的矛盾日益突出，限制了PEMFCs大规模推广。热解型铁氮碳（Fe-N-C）材料被认为是质子交换膜燃料电池中活性最高的非铂电催化剂。Fe-N4位点是Fe-N-C的活性中心，目前大量的研究集中在提高Fe-N4位点密度。然而，当活性位密度提高时，活性位的利用率却很低。文献报道的高性能催化剂活性位点的密度达到5 × 1019 sites/g时，位点利用率普遍低于12%，成为高性能质子交换膜燃料电池应用的主要障碍。
活性位的分布是影响活性位利用率的重要因素，鉴于此，课题组通过设计一种自下而上“FeCl2蒸汽捕获”装置，在载体表面沉积致密的Fe-N4活性位。由于FeCl2分子尺寸大于O2分子，当FeCl2分子以气态的方式扩散进入碳基底形成活性位时，该活性位也是O2分子可触及的，因此可以同时提高活性位密度和活性位利用率。首先在ZIF-8外表面修饰邻菲啰啉有机分子，由于邻菲啰啉具有独特的吡啶氮结构，热解后会在碳表面构筑一层富吡啶氮层，这层富吡啶氮层可有效提高载体捕获气相FeCl2分子的能力。随后，在精心设计的表面富吡啶氮层碳基底上无接触式沉积了Fe-N2+2位点。通过HS-LEIS光谱分析可知，在载体最外层2~3个原子层厚度范围内，成功地构筑了致密的Fe-N2+2位点，而常规的液相合成的催化剂最外层2~3个原子层内部基本没有位点分布，表明“FeCl2蒸汽捕获”策略确实可以实现Fe-N4位点表面化。合成的催化剂不仅具有高位点密度（5.6 × 1019 sites/g），还具有高活性位利用率（28.6%）。构-效分析表明，表面化的Fe-N4位点可以有效缩短质子和O2分子的传输路径，使得三相界面最大化，极大降低了传质阻力。在质子交换膜燃料电池性能测试中，催化剂在H2-O2以及0.9 ViR-free电压下的电流密度为46 mA cm-2，峰值功率为1.53 W cm-2（H2-O2）和0.71 W cm-2（H2-air），为目前已报道的非贵金属催化剂的最高水平。
该研究工作由姜艳霞教授﹑孙世刚教授和能源材料化学协同创新中心访问学者杨健博士指导完成，2021级博士生殷述虎为第一作者，博士生杨双莉﹑李根和李广对材料的表征给予了重要帮助。研究工作得到国家重点研发计划（2017YFA0206500）和国家自然科学基金（22172134、21773198）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D2EE00061J
