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“Instantaneous Free Radical Scavenging by CeO2 Nanoparticles Adjacent to the Fe–N4 Active Sites for Durable Fuel Cells”为题发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.202306166）。
Fe-N-C催化剂因其优异的氧还原反应（ORR）活性，而被认为是质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中Pt/C催化剂的低成本替代品。近年来，Fe-N-C催化剂在PEMFCs中的活性性能已经逐渐接近市场需求，但其耐久性却依旧面临瓶颈。因此，该领域的未来趋势应该更倾向于耐久性的改善，以便找到活性-稳定性的平衡点。目前，自由基攻击被认为是Fe-N-C稳定性下降的主要原因之一，而改善这种由自由基导致的Fe-N-C催化剂降解，必须通过了解自由基产生的源头。自由基是由O2不完全还原为H2O2和随后产生的H2O2在Fe-Nx位点上进行Fenton反应或三电子电化学还原反应形成。而想要降低自由基对Fe-Nx位点和碳载体造成的损害，就要使自由基被快速消除，从而缩短自由基的存活时间和其损伤的区域空间。
鉴于此，研究团队报道了一种两步金属有机气相掺杂（MGD）的方法，成功制备了具有高密度可触及的Fe-N4位点和在其邻位锚定CeO2清除剂（Scaad-CeO2）的Fe-NC/Scaad-CeO2催化剂。CeO2纳米颗粒作为自由基清除剂，锚定在Fe-N4邻位，使得在Fe-N4位点形成的自由基，如·OH和HO2·，可以被邻位的CeO2纳米颗粒瞬时消除。在Fe-N-C不可避免地被自由基破坏的前提下，通过邻位锚定CeO2对Fe-N4位点的专享保护策略，压缩了自由基的破坏区域和存活时间。结果表明，Fe-NC/Scaad-CeO2中的CeO2清除了相邻Fe-N4位点产生的约80%自由基。在30,000次循环后，基于Fe-NC/Scaad-CeO2制备的燃料电池的Fe-N-C的衰减从69%降低至28%，其稳定性得到大的改善。因此，在Fe-N-C不可避免地被自由基破坏的前提下，通过瞬间消除自由基来压缩自由基的破坏区域和存活时间，为提高ORR催化剂的耐久性开辟了一条新的道路。
Fe-NC/Scaad-CoO2和Fe-NC/ScaCeO2自由基消除行为比较示意图
该研究工作由姜艳霞教授﹑孙世刚教授指导完成，2020级博士生程晓阳为论文第一作者，博士生姜笑天﹑殷述虎和纪丽菲等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），国家自然科学基金（22172134、22288102）和福建省科技计划项目（2022H0002）的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202306166
