在高度石墨化的多孔碳基质上负载高密度的Fe-N_x位点对于开发铁/氮掺杂碳（Fe-N/C）电催化剂至关重要，这些兼具高氧还原反应（ORR）活性和高稳定性的催化剂可用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）。在此，我们报道了Fe/N掺杂的碳纳米管（CNTs）的生长过程，它是通过热解Fe/N掺杂的碳纳米管种子负载的Fe掺杂沸石咪唑框架化合物（Fe-ZIF-8）前驱体实现的。这样的种子法生长使原本就具有Fe-N_x位点的Fe-ZIF-8前体成功转化为大量被高密度Fe-N_x位点掺杂的次级CNT，同时保持高度石墨化。产生的催化剂具有高密度的Fe-N_x活性位，多孔网络结构，增强的导电性和改善的抗腐蚀能力。从而提高了PEMFC的性能和耐久性（相比于Fe-ZIF-8热解后所得的催化剂，即Fe-ZIF’）。此外，高度石墨化的结构与枝状分级结构使得碳纳米管网络具有高疏水性，可有效去除水，因此减缓了催化剂的性能衰减。高度石墨化的枝状分级CNT中Fe-Nx活性位点的成功引入为开发耐用的高活性无贵金属ORR电催化剂开辟了新道路。
 
 Figure 1. （a）Fe-ZIF’/CNT催化剂的合成路线示意图。（b）初级Fe-N/CNT催化剂的TEM图像。（c，d）Fe-ZIF’/ CNT-1催化剂的代表性的SEM和TEM图像，显示出许多次级CNT和初级Fe-N/CNT表面上生长的石墨化纳米壳。（e-g）Fe-ZIF’/ CNT-1催化剂的球差校正HAADF-STEM图像，其中虚线圆圈表示单分散Fe位点。（g）的插图显示了Fe-N_x掺杂的纳米壳层模型。（h）Fe-ZIF’/CNT-1中C，N和Fe的STEM-EELS元素分布图。（i，j）在初级CNT（i）和次级CNT（j）中N和Fe的平均原子含量的EELS定量分析。
 

Figure 2. 催化剂的结构表征。（a）XRD谱图。（b）N₂吸脱附等温线，插图显示相应的基于BJH方法的中孔尺寸分布曲线。（c）N 1s 的XPS光谱。（d）样品中总氮和配体N（Fe-N_x中的N）的原子含量比较。
 
 
Figure 3. 0.1 M HClO4电解质中的电化学表征，通过RDE测得。（a）N₂饱和电解液中，第一次循环所得CV曲线。（b）N₂饱和电解质中的SWV测试。（c）LSV曲线和（d）相应的Tafel图。（e）Fe-ZIF’/CNT-1和（f）Fe-ZIF’催化剂经过加速压力测试后的LSV曲线。
 
 
Figure 4.（a）在单个H₂-O₂ PEMFC中测试的极化曲线和相应的功率密度-电压图。（b）恒定电流密度为0.5 A cm^-2时PEMFC的Nequsit图。（c）成品催化剂的接触角测量。（d）在单个H₂-O₂ PEMFC中，恒定电压为0.4 V 下的加速压力测试。
 
      本研究于2020年由清华大学深圳国际研究生院的 Lin Gan和Feiyu Kang课题组发表于Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.02.046）
原文：Seeded Growth of Branched Iron-Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes as a High Performance and Durable Non-Precious Fuel Cell Cathode