碳負(fù)載和氮配位的單鐵位點(diǎn)材料（表示為Fe-N-C）是用于氧還原反應(yīng)（ORR）的最有前途的無鉑族金屬（PGM）正極催化劑，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的活性和不斷提高的穩(wěn)定性。然而，目前通過高溫?zé)峄罨瘡姆惺溥蝓ス羌?8（ZIF-8）納米晶前體衍生的Fe-N-C催化劑通常存在難以接近的Fe位點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)活性位點(diǎn)被埋在塊狀碳納米顆粒中。形態(tài)限制顯著減輕了用于構(gòu)建有效活性位點(diǎn)的關(guān)鍵三相界面，這需要足夠的離聚物覆蓋率來傳導(dǎo)質(zhì)子，因此抑制了質(zhì)子交換膜燃料電池電極內(nèi)反應(yīng)物（即O2）的傳質(zhì)。
基于此，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授和上海交通大學(xué)莊小東研究員（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種設(shè)計(jì)核-殼復(fù)合材料前驅(qū)體的有效策略，該核-殼復(fù)合材料前體由來自ZIF-8的多面體N摻雜多孔碳核和來自基于Fe(III)-四苯基卟啉氯化物的共軛微孔聚合物的殼組成。
在文中，作者制備的Fe-N-C催化劑，其內(nèi)核是來自ZIF-8的N摻雜多孔碳多面體，外殼是由氯化鐵(III)-四苯基卟啉生成的共軛微孔聚合物。在高溫?zé)峄罨^程中，聚合物殼層分解并重排，在碳核表面形成具有豐富原子Fe位點(diǎn)的Fe-N-C層。通過X射線光電子能譜（XPS）測定，所制備的催化劑的淺分布Fe含量高達(dá)2.32 at %。此外，所制備的具有核-殼結(jié)構(gòu)的Fe-N-C催化劑隨著密度的增加，在殼層處含有大部分的原子Fe位點(diǎn)。
獨(dú)特的催化劑設(shè)計(jì)可以縮短H+和O2的擴(kuò)散距離并促進(jìn)H2O產(chǎn)物的去除，從而促進(jìn)厚的無PGM正極中的ORR。因此，具有最佳Fe-N-C催化劑的膜電極組件在0.9 ViR?free（1.0 bar O2）和0.8 V（1.0 bar空氣）下實(shí)現(xiàn)了電流密度為32 mA cm-2和102 mA cm-2，峰值功率密度為0.43 W cm-2（1.0 bar空氣）。該工作提供了一種構(gòu)建M-N-C催化劑的方法，該催化劑在表面層具有易于訪問的單金屬活性位點(diǎn)，用于ORR和其他電催化反應(yīng)。
Core-Shell Structured Fe-N-C Catalysts with Enriched Iron Sites in Surface Layers for Proton-Exchange Membrane Fuel Cells. ACS Catal., 2022, DOI: 10.1021/acscatal.2c01358.
https://doi.org/10.1021/acscatal.2c01358.
