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論文團(tuán)隊(duì)：中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所邢巍課題組

論文DOI：https://doi.org/10.1007/s11426-024-2359-9

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Fe-N-C催化劑憑借優(yōu)異的催化活性和低廉成本，被譽(yù)為替代質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）鉑基催化劑的最有前景的候選材料。然而，對Fe-N-C催化劑的降解機(jī)制理解不足，無法長時間保持其性能，成為了科技轉(zhuǎn)化面臨的主要挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所邢巍課題組在國際期刊《SCIENCE CHINA Chemistry》（JCR一區(qū)） 發(fā)表題為《Unraveling the Potential-dependent Degradation Mechanism in Fe-N-C Catalysts for Oxygen Reduction Reaction》的論文（期刊已收稿）。在該研究中，監(jiān)測了氧還原反應(yīng)（ORR）過程中電極的實(shí)時變化，揭示了Fe-N-C催化劑固有的電位依賴性降解機(jī)制。利用原位差分電化學(xué)質(zhì)譜技術(shù)，確定了不同性能損失程度的3個不同電位區(qū)域。特別是在低電位下，觀察到了碳腐蝕信號。并通過理論計(jì)算和熒光探針實(shí)驗(yàn)證實(shí)了高電位下的降解機(jī)制主要是由克服碳氧化能量屏障的強(qiáng)氧化電位驅(qū)動的，而低電位下的降解主要是由ORR過程中產(chǎn)生的高濃度活性氧（ROS）引起的。該研究有助于全面了解各種降解機(jī)制之間的內(nèi)在聯(lián)系，并為提高Fe - N - C催化劑在PEMFC應(yīng)用中的耐久性提供了新的思路。

背景介紹

隨著我國氫能發(fā)展加快，開發(fā)非鉑族金屬（非PGM）新型催化劑替代傳統(tǒng)昂貴的Pt催化劑，從而解決質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）催化成本和可持續(xù)發(fā)展問題。具有重要意義。從現(xiàn)階段報道的候選催化劑材料中，以原子分散的鐵原子與氮官能團(tuán)配位為特征的Fe-N-C催化劑特別有前途。這是因?yàn)樗鼈冊谒嵝越橘|(zhì)中進(jìn)行氧反應(yīng)還原（ORR）的初始性能很高，但Fe-N-C催化劑存在穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)，有不同程度的性能損失。該實(shí)驗(yàn)使用了DCDSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤電極【理化（香港）有限公司提供】，探索Fe-N-C 催化劑在酸性介質(zhì)中的降解機(jī)制，研究分析降解機(jī)制之間與電位有關(guān)的相互聯(lián)系，具有重要意義。

圖文解析

研究中發(fā)現(xiàn)，通過使用DCDSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤電極進(jìn)行長時間的穩(wěn)定性測試，在0.8V與0.65V、1.3V的恒電位測試中，0.8V的恒電位條件下的活性損失顯著減少，如圖a-c所示。

為探究活性損失原因，對不同電位下的氣體釋放情況進(jìn)行了檢測，當(dāng)通入氧氣時，在電壓高于1.05V的測試中發(fā)現(xiàn)，更高的電位使碳的腐蝕更嚴(yán)重，更易氧化。

在電壓為0.67V-1V之間，幾乎觀察不到CO2氣體信號，碳的腐蝕相對輕微，這一范圍對應(yīng)于氧還原反應(yīng)（ORR）的動力學(xué)電流區(qū)，接近Fe-N-C的ORR動力學(xué)電流區(qū)，此時ORR電流相對較低。

在電壓為0.67V-1V以下時，檢測到了顯著的CO2氣體信號，表明在這些較低電位下也發(fā)生了碳腐蝕。同時在惰性氣體下進(jìn)行了相同測試，在低電位范圍內(nèi)未觀察到CO2信號。這種缺失可能是由于缺乏反應(yīng)物，導(dǎo)致電極無法進(jìn)行ORR。因此，這種碳腐蝕機(jī)制與ORR過程密切相關(guān)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證在低電位下Fe-N-C催化劑中碳腐蝕的來源，在恒電位條件下對ZIF@N-C進(jìn)行了差分電化學(xué)質(zhì)譜（DEMS）分析，結(jié)果如圖g-i所示。

發(fā)現(xiàn)碳腐蝕起始電位為1.10 V，在0.50 V至1.05 V的電位范圍內(nèi)，未檢測到CO2釋放峰。在更低電位下，即從0.10 V至0.40 V，觀察到明顯的CO2釋放峰。這一電位范圍與ZIF@N-C的氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)-擴(kuò)散混合控制區(qū)相吻合（圖i），表明與ORR過程密切相關(guān)。

隨后比較了其在低電位下恒電位測試前后的形態(tài)和化學(xué)變化，在0.60 V的恒電位測試后，催化劑表面的氧含量增加，而鐵、氮和碳的含量顯著下降，這表明發(fā)生了碳腐蝕，這與差分電化學(xué)質(zhì)譜（DEMS）結(jié)果一致，也顯示了脫金屬現(xiàn)象。隨后結(jié)合了理論計(jì)算和熒光探針實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證和解釋降解機(jī)制。

總結(jié)與展望

通過本實(shí)驗(yàn)研究確定了潛在的依賴性退化途徑，并提出了可行的緩解策略。在ROS誘導(dǎo)的腐蝕區(qū)域，降解源于ORR過程中產(chǎn)生的ROS對碳基材的化學(xué)氧化，導(dǎo)致活性位點(diǎn)的鐵中心脫金屬。

相反，在低腐蝕區(qū)域，ROS較少，電勢不足以克服熱力學(xué)勢壘，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對于非貴重PEMFCs，應(yīng)特別注意低電位范圍內(nèi)自由基氧化引起的表面碳腐蝕。

目前，F(xiàn)e-N-C催化劑的活性已經(jīng)接近甚至超過Pt/C催化劑，通過揭示了Fe-N-C催化劑固有的電位依賴性降解機(jī)制，為今后進(jìn)一步開發(fā)Fe-N-C催化劑技術(shù)鋪平了道路。

儀器簡介

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