質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種極具前景的可持續(xù)能量轉(zhuǎn)化裝置，可以高效地將儲存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，然而其商業(yè)化發(fā)展受限于高昂的Pt基貴金屬催化劑。因此，開發(fā)低成本高性能非Pt催化劑是當(dāng)前電催化領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院水江瀾教授課題組設(shè)計了一種超高活性的Fe–N–C單原子催化劑，首次達(dá)到了美國能源部（US DOE）設(shè)定的非Pt催化劑2018年活性目標(biāo)，相關(guān)的研究成果發(fā)表在2019年3月4日的《Nature Catalysis》上。 

　　該研究團(tuán)隊通過長期的探索，認(rèn)識到Fe–N–C催化劑活性位點(diǎn)的低利用率才是限制電池性能的主要因素，而催化劑的孔隙結(jié)構(gòu)是影響活性位點(diǎn)利用率的關(guān)鍵。他們設(shè)計并制備出一種具有大外比表面積的凹面Fe–N–C納米顆粒催化劑，該催化劑不僅具有很高的FeN4位點(diǎn)密度，同時在電池中相對于傳統(tǒng)催化劑具有顯著提升的活性位點(diǎn)利用率。得益于以上優(yōu)點(diǎn)，該催化劑展現(xiàn)出前所未有的氫/氧燃料電池性能，其0.88 ViR-free下的電流密度可達(dá)47 mA cm^-2，首次達(dá)到美國能源部設(shè)置的2018年非Pt催化劑活性目標(biāo)44 mA cm^-2；0.9 ViR-free下的電流密度可達(dá)22 mA cm^-2，實測極限功率可達(dá)1.18 W cm^-2，均為目前報道的最高值。 　　

　　圖：利用北京同步輻射裝置（BSRF）獲得的活性中心的原子結(jié)構(gòu)。（a）通過比較XANES實驗譜和理論計算譜，得到最可能的原子結(jié)構(gòu)模型（插圖）。（b）EXAFS譜擬合結(jié)果。 

　　此項工作中，研究人員依托北京同步輻射裝置1W1B-XAFS實驗站對Fe–N–C催化劑活性中心的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。X射線近邊吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XANES）擬合表明，活性中心為獨(dú)特的原子級分散的2個O2分子吸附的FeN₄C₈結(jié)構(gòu)?；钚灾行牡拿鞔_鑒定，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系研究提供了有力的支撐。該研究表明，活性位點(diǎn)密度是決定Fe–N–C燃料電池性能的主要因素，而大的外比表面積在提高活性位點(diǎn)密度以及增強(qiáng)催化劑層的傳質(zhì)方面起著關(guān)鍵作用。本工作闡明了非Pt催化劑的性能強(qiáng)化機(jī)制，設(shè)計制備了有效催化劑構(gòu)型，對于未來開發(fā)高性能的非Pt催化劑具有重要的指導(dǎo)意義。 

　　發(fā)表文章： 

　　Xin Wan, Xiaofang Liu, Yongcheng Li, Ronghai Yu, Lirong Zheng, Wensheng Yan, Hui Wang, Ming Xu* and Jianglan Shui* Fe–N–C electrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport for high-performance proton exchange membrane fuel cells. Nature Catalysis 2 (2019) 259–268.