華中科技大學(xué)李箐教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)金屬-聚合物配位和原位摻雜方法開(kāi)發(fā)了硅摻雜鐵-氮-碳(Si/Fe-N-C)催化劑，在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原反應(yīng)活性和穩(wěn)定性，為開(kāi)發(fā)非貴金屬氧還原催化劑提供了新思路。
質(zhì)子交換膜燃料電池具有高效率、高功率密度和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種可持續(xù)發(fā)展的能量轉(zhuǎn)換裝置。其陰極氧還原反應(yīng)緩慢的動(dòng)力學(xué)需要價(jià)格昂貴的貴金屬催化劑（Pt/C），因此開(kāi)發(fā)高性能、低成本的非貴金屬催化劑十分必要。目前，碳基催化劑上的過(guò)渡金屬-氮配位結(jié)構(gòu)（M-N-C）是一種極具發(fā)展前景的催化劑，活性能夠媲美Pt/C催化劑，但是M-N-C類催化劑的耐久性依然不足，特別是在燃料電池強(qiáng)酸性和強(qiáng)氧化性的環(huán)境中，容易發(fā)生碳腐蝕和金屬中心脫金屬化等過(guò)程，導(dǎo)致催化劑快速失活。 鑒于此，華中科技大學(xué)李箐教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種Si摻雜的Fe-N-C催化劑，通過(guò)增加Fe-N-C活性位點(diǎn)的密度和碳基底的石墨化程度，增強(qiáng)了催化劑在酸性介質(zhì)中氧還原反應(yīng)中的活性和穩(wěn)定性。Fe-N-C位點(diǎn)密度的增加是通過(guò)金屬-有機(jī)聚合物超分子策略將配體螯合的Fe基團(tuán)固定在3D海藻酸鈉框架中。同時(shí)，硅酸四乙酯與海藻酸鈉之間的氫鍵作用可以在后續(xù)熱解過(guò)程中實(shí)現(xiàn)原位Si摻雜。XPS和EXAFS等光譜表征表明，Si主要以C-Si-O鍵的形式存在，其不僅能促進(jìn)吡啶N和Fe的結(jié)合，還能提高碳載體的石墨化程度，調(diào)節(jié)Fe-N-C的配位結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測(cè)試表明， Si/Fe-N-C催化劑在在0.5 M H2SO4中表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性，其半波電位值為0.817 V（相對(duì)于可逆氫電極），顯著優(yōu)于Fe-N-C催化劑。值得一提的是，Si/Fe-N-C催化劑在60 ℃和O2飽和的條件下經(jīng)過(guò)5000個(gè)循環(huán)后，活性衰減不顯著。這項(xiàng)工作為通過(guò)抗腐蝕元素?fù)诫s策略，設(shè)計(jì)高效、耐用的非貴金屬燃料電池電催化劑提供了新思路。 論文信息 Si Doping Enables Activity and Stability Enhancement on Atomically Dispersed Fe-Nx/C Electrocatalysts for Oxygen Reduction in Acid Shenzhou Li, Zhiqiang Li, Tianping Huang, Huan Xie, Zhengpei Miao, Jiashun Liang, Ran Pan, Tanyuan Wang, Jiantao Han, and Qing Li* ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.202201795
