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由于三相界面不足和氧气传输阻力大，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的高固有活性在实际应用中无法得到充分的利用。

催化剂层（CL）内质子和反应物的有效传输很大程度上受碳载体孔结构的影响，该载体同时容纳金属位点和离子聚合物。

2025年5月24日，北京理工大学王博、杨文秀在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society发表题为《Optimizing the Mass Transport and Atomic Fe Intrinsic Activity to Achieve High-Performing Fuel Cells》的研究论文，范海洋为论文第一作者，王博、杨文秀为论文共同通讯作者。

在文中，作者通过盐模板法选择了一种富含氮的GT-18 MOF，构建了一种无Pt多孔纳米片催化剂（FeAC-N-SC），以实现PEMFC性能的提升。

模拟和实验结果表明，该微观结构有利于离子omer的均匀分散，并促进阴极CL中氧气的传质，最终实现催化活性的高效利用。

由FeAC-N-SC催化剂组装的PEMFC展现出了卓越的峰值功率密度（1.1 W/cm2）和耐久性（在AST-30k循环后功率密度保持61%，在100小时开路电压测试后电压保持92%）。

DFT结果表明，引入Fe原子簇可以通过调节单原子Fe–N4位点的电子分布来增强氧还原反应（ORR）的固有活性。本研究揭示了CL设计、传质和电极微观结构之间的关系，成功地利用了阴极催化剂的固有活性，并提高了发电能力。

图1：催化剂制备与结构表征

(a)展示了FeAC-N-SC催化剂的合成过程，通过盐模板法从GT-18 MOF前驱体制备N掺杂的多孔碳纳米片，并负载Fe原子簇和单原子位点。(b)透射电子显微镜（TEM）图像显示FeAC-N-SC具有超薄的纳米片结构，厚度约为5-7 nm。(c)原子力显微镜（AFM）图像进一步确认了纳米片的超薄特性。(d)高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像揭示了Fe原子簇和单原子位点在碳基底上的共存。(e) Fe K-edge X射线吸收近边结构（XANES）光谱表明Fe原子在催化剂中呈正电荷状态，且FeAC-N-SC中存在金属态Fe。(f) Fe K-edge扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱显示FeAC-N-SC中Fe原子的局域结构，包括Fe-N和Fe-Fe配位。(g) EXAFS拟合曲线进一步证实了Fe原子的配位环境，表明FeAC-N-SC中存在Fe原子簇。

图2：燃料电池性能与传质特性

(a)展示了典型氢燃料电池的示意图及其组成部分。(b)在80°C和100%相对湿度下，H2-O2燃料电池的I-V极化和功率密度曲线，FeAC-N-SC展现出1.1 W cm-2的峰值功率密度。(c) FeAC-N-SC阴极与先前报道的铁基催化剂在H2-O2燃料电池中的峰值功率密度比较。(d)通过电化学阻抗谱（EIS）的分布松弛时间（DRT）分析，评估了FeAC-N-SC的传质阻力。(e) FeAC-N-SC在不同氧气浓度下的总电阻（Rtot）与极限电流的关系，表明其较低的氧气传输阻力。(f) Rtot与绝对压力的关系图，进一步证实了FeAC-N-SC的低传输阻力。(g)在不同湿度下，FeAC-N-SC基催化层的质子电导率（σ）。(h)在不同温度下，FeAC-N-SC基催化层的质子电导率。(i)不同催化层的质子传输活化能（Ea）的阿伦尼乌斯图。

图3：氧气传输与催化层结构分析

(a) FeAC-N-SC和Fe-N-BC的O2温度程序脱附（O2-TPD）曲线，表明FeAC-N-SC对O2具有更强的吸附亲和力。(b)通过零长度柱（ZLC）方法测定的FeAC-N-SC和Fe-N-BC中O2的脱附曲线及扩散时间常数，FeAC-N-SC显示出更快的O₂扩散能力。(c)-(f)基于FIB-SEM切片的MEA结构重建结果，通过计算流体动力学（CFD）分析模拟了O2在催化层中的扩散和浓度分布，FeAC-N-SC展现出更均匀的O2扩散和更高的浓度分布。(g)在不同时间下，结构重建中的O2浓度分布曲线，进一步证实了FeAC-N-SC的低O2传输阻力。(h)-(i) FeAC-N-SC和Fe-N-BC的三维MEA结构表面，叠加了AFM粘附映射，展示了离子omer在催化层中的均匀分布。

图4：DFT计算与电子结构分析

(a) FeAC-N-SC的氧还原反应（ORR）路径示意图。(b) FeAC-N-SC和Fe-N-SC在0 V和1.23 V vs RHE条件下的自由能图，表明FeAC-N-SC具有更低的决速步过电位。(c) FeAC-N-SC和Fe-N-SC中Fe原子d轨道的投影态密度（DOS），显示FeAC-N-SC的d带中心上移，有利于O2吸附。(d) FeAC-N-SC和Fe-N-SC对O2的吸附能（Eads），表明FeAC-N-SC具有更强的O2吸附能力。(e) FeAC-N-SC和Fe-N-SC的形成能，证实FeAC-N-SC结构更稳定。(f) FeAC-N-SC和Fe-N-SC的电荷密度差，揭示了Fe原子簇与Fe单原子位点之间的电荷转移，优化了电子结构。

综上，该研究成功开发出一种高性能的无铂催化剂，实现了PEMFCs的卓越性能，峰值功率密度达到1.1 W cm-2，并展现出良好的耐久性。通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了铁原子簇的引入可以调节单原子Fe–N4位点的电子分布，从而增强氧还原反应（ORR）的固有活性。

研究不仅为设计高性能PEMFCs提供了新的思路，还为开发低成本、高活性的非铂催化剂开辟了新途径，有望在未来的能源转换设备中得到广泛应用，尤其是在需要高功率密度和长寿命的燃料电池系统中。

Optimizing the Mass Transport and Atomic Fe Intrinsic Activity to Achieve High-Performing Fuel Cells,J.Am. Chem. Soc.2025.https://doi.org/10.1021/jacs.5c03499

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