研究内容

Fe-N x -C基单原子(SA-Fe-N-C)催化剂显示出良好的氧还原反应(ORR)活性。然而，它们在质子交换膜燃料电池中的应用由于催化剂层厚而性能降低，限制了传质和O 2 供应而受到阻碍。金属有机框架(MOFs)是一类很有前途的晶体材料，但其狭窄的孔隙加剧了催化剂层内缓慢的质量传输特性。

南京航空航天大学何建平、华东师范大学-中国科学院化学研究所韩布兴、华东师范大学Wei Xia和名古屋大学Yusuke Yamauchi 开发了一种通过螯合辅助选择性蚀刻在MOFs中构建开孔结构的方法，从而使原子分散的Fe原子锚定在N，S共掺杂的碳骨架上。有限元模拟证明，开孔结构为以前所未有的ORR活性和稳定性降低了膜电极组件(MEA)中的氧传输阻力。在酸性电解质中，OP-Fe-NC催化剂显示出0.89 V vs RHE的半波电势，超过Pt/C 20 mV，在MEA中0.9 V 无iR 时的电流密度为29 mA cm -2 。相关工作以“ Selective Etching of Metal-Organic Frameworks for Open Porous Structures: Mass-Efficient Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction Reaction for Fuel Cells ”为题发表在国际著名期刊 Journal of the American Chemical Society 上。

研究要点

要点1. 作者开发了一种通过螯合辅助选择性蚀刻在MOFs中构建开孔结构的方法。含有S和O元素de 二甲酚橙(XO)被选为螯合剂，通过结合酸性蚀刻剂中的质子来实现对极性晶面的选择性蚀刻，在初始阶段保持低的初始质子浓度。同时，它在前驱体上引入了S和O元素掺杂，产生了高效的ORR催化剂(开孔铁原子锚定N，S共掺杂碳，OP-Fe-NC)。

要点2. OP-Fe-NC催化剂在酸性介质中表现出0.89 V vs RHE的半波电势(E 1/2 )，其比商业Pt/C高20 mV，并且在先前报道的非PGM催化剂中具有创纪录的水平。有限元模拟表明，开孔结构起到了互连通道的作用，有效地降低了MEA内的O 2 传输阻力。此外，OP-Fe-NC在MEA内0.9 V 无iR 时表现出29 mA cm -2 的优异的电流密度，接近美国能源部规定的2025年目标(0.9 V时为44 mA cm -2 )。

要点3. 密度泛函理论(DFT)计算进一步表明，掺杂S和O原子降低了ORR的能垒，同时通过调节Fe-N 4 电子结构优化了反应物中间体的吸附，最终显著提高了ORR活性。优越的开孔结构和高活性的OP-Fe-NC充分利用了其在燃料电池应用中的潜力。

该研究为制备用于能量存储和转换器件的高质量效率和原子精度的电催化剂提供了一种有效的结构策略。

研究图文

图1. OP-Fe-NC的合成与形貌研究。

图2. OP-Fe-NC的活性位点结构分析。

图3. ORR活性的表征 。

图4. OP-Fe-NC正极催化剂的H 2 -O 2 燃料电池性能。

图5. DFT计算阐明了三个活性位点的活性。

文献详情

Selective Etching of Metal-Organic Frameworks for Open Porous Structures: Mass-Efficient Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction Reaction for Fuel Cells

Jingjing Li, Wei Xia,* Xingtao Xu, Dong Jiang, Ze-Xing Cai, Jing Tang, Yanna Guo, Xianli Huang, Tao Wang, Jianping He,* Buxing Han,* Yusuke Yamauchi*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c05544

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