開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的非Pt族金屬氧還原催化劑是實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。目前性能最好的非Pt催化劑是Fe-N-C催化劑。然而，其電池穩(wěn)定性還很差，原因之一是Fe離子催化芬頓反應(yīng)產(chǎn)生氧化自由基攻擊碳載體。因此，盡管性能還比不上Fe-N-C，Co-N-C催化劑憑借對于芬頓反應(yīng)的免疫性成為穩(wěn)定的非Pt催化劑候選者之一。提高Co-N-C催化劑電池性能要求深入了解性能增強(qiáng)機(jī)理。 

　　有鑒于此，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的水江瀾教授研究團(tuán)隊(duì)合成了一系列具有不同密度的Co-N4活性位點(diǎn)的Co-N-C單原子催化劑，用于結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系的定量研究。相關(guān)研究成果于2019年6月13日發(fā)表于《Applied Catalysis B: Environmental》。研究人員發(fā)現(xiàn)在低活性位點(diǎn)密度區(qū)，電池功率密度隨Co-N₄位點(diǎn)密度緩慢線性地增加；而在高密度區(qū)則顯示加速增長趨勢。這表明，低本征活性的催化劑可以通過提高活性位點(diǎn)密度有效提高電池性能。優(yōu)化的Co-N-C單原子催化劑實(shí)現(xiàn)了826 mW cm^-2的超高電池功率密度。此外，密度泛函理論計(jì)算與過氧化氫還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)闡明了Co-N₄位點(diǎn)上氧還原反應(yīng)為直接4e-途徑而非2e- + 2e-途徑，進(jìn)一步解釋了Co-N-C比Fe-N-C更高的電池穩(wěn)定性。 

 　　圖：利用北京同步輻射裝置（BSRF）鑒定活性中心的原子結(jié)構(gòu)。（a）XANES譜。（b）傅里葉變換的EXAFS譜。（c）EXAFS擬合結(jié)果。 

　　此項(xiàng)工作中，研究人員依托北京同步輻射裝置1W1B-XAFS實(shí)驗(yàn)站對Co-N-C催化劑活性中心的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）的分析和擬合表明，所合成的Co-N-C催化劑具備原子級分散的活性位點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)O2分子吸附的Co-N4結(jié)構(gòu)?；钚灾行牡拿鞔_鑒定為理論計(jì)算提供了有利支撐。這項(xiàng)工作揭示的性能增強(qiáng)機(jī)制為提升非貴金屬催化劑的燃料電池功率密度提供了可行方法。同時(shí)，所制備的Co-N-C催化劑的優(yōu)異綜合性能展現(xiàn)了其在低成本質(zhì)子交換膜燃料電池中的廣闊前景。 

　　發(fā)表文章： 

　　Linyun Chen, Xiaofang Liu, Lirong Zheng, Yongcheng Li, Xu Guo, Xin Wan, Qingtao Liu, Jiaxiang Shang, Jianglan Shui* Insights into the role of active site density in the fuel cell performance of Co-N-C catalysts. Appl. Catal. B-Environ. 256 (2019) 117849.