降低贵金属Pt用量，同时提高Pt基ORR电催化剂的电催化氧还原反应（ORR）活性和稳定性是实现燃料电池规模化应用的关键。在这里，开发了一种有效的策略，通过均匀的 Pt 纳米颗粒 (≈4.0 nm) 和在有序介孔碳 (OMC) 表面上修饰的大量原子分散的 Fe-N 4位点之间的强电子相互作用来减少 Pt 的使用，从而有效提高 ORR 性能。密度泛函理论 (DFT) 计算表明，Pt 和 Fe–N 4位点之间的强电子相互作用使 Pt@Fe–N–OMC-2 中 Pt 的 d 带中心相对于制备的 Pt 降低了 0.21 eV @OMC，说明O2变弱了含氧物质在 Pt 位点上的吸附和加速解吸。原位拉曼光谱表明，Fe–N 4基团的引入促进了 O–OH 解离过程。有限元法模拟表明，通过修饰 OMC 表面的 Fe–N4位点，增强了嵌入 Pt 纳米粒子表面的电场和热场，加速了 ORR 相关物质（O2、H⁺和 H2O）的积累), 有利于电催化 ORR。这种创新方法不仅说明了 Pt 和 Fe-N 4位点之间的协同机制，而且同时为设计用于燃料电池的高级电催化剂提供了新途径。
 
Fig 1. a) Pt@Fe–N–OMC 的合成示意图。 b) TEM，c,d) HADDF-STEM 图像，和 e-i) 准备好的 Pt@Fe-N-OMC-2 的元素映射。
    
Fig 2. 所制备的 Pt@OMC 和 Pt@Fe–N–OMC-2 的 Pt 4f 光谱 a) 和价电子光谱 b)。 Pt@Fe–N–OMC-2 的 N 1s 光谱。c) Fe-N-OMC-2、Pt@Fe-N-OMC-2 和参考样品的 Fe k-edge XANES 光谱 d) 和 FT-EXAFS 信号 e)。 Fe-N-OMC-2 f)的FT-EXAFS光谱的拟合。插图是相应的 Fe-N4 部分。
 
Fig 3. ORR 活性表征：Fe–N–OMC-2、Pt@OMC、Pt@Fe–N–OMC-2的 LSV 曲线 a)、相应的半波电位 b)、质量和比活性 c) 以及 CVs d) , 和商业 Pt/C; 分别以 Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt/C (20 wt.%) 作为阴极催化剂的膜电极组件 (MEA) 的 PEMFC 极化曲线 e) 和功率密度曲线 f)。阳极 Pt 负载量：0.2 mg Pt cm -2，阴极 Pt 负载量：0.2 mg Pt cm -2对于 Pt/C，0.1 mg Pt cm -2对于 Pt@Fe–N–OMC-2。电池温度：80 °C。100% 加湿 H 2和 O 2的流速：200、300 sccm。背压：0.1 m Pa。a)的插图是MEA测试的照片。
 
Figb 4. ORR 稳定性表征：a,d) O 2 -饱和 0.1 m HClO 4溶液中的 LSV ，b,e) N 2 -饱和 0.1 m HClO 4溶液中的 CV 变化，c,f) Pt@ 的 ECSA 和半波电位Fe–N–OMC-2 和商用 Pt/C。
 
Fig 5. a) 计算吸附在嵌入石墨烯层中的Fe-N 4部分的不同位置上的四原子 Pt 4簇的结合能。b) Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt@OMC 表面原子的电子密度差异。蓝色和红色分别代表电荷耗尽和电荷积累。c) Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt@OMC 的自由能图。d) Pt@Fe–N–OMC-2 和 Pt@OMC 中表面 Pt 原子的预计电子态密度。e) 吸附在 Pt@OMC 和 Pt@Fe–N–OMC-2 表面的含氧物质在 O 2饱和的 0.1 m HClO 4溶液中在 0.5 V（相对于 RHE）的给定电位下的原位拉曼光谱。
 
Fig 6. 有限元模拟。Pt@OMC a,c)和Pt@Fe–N–OMC-2 b,d)在给定电位0.9 V下的电场分布和热场分布。(a–d)中的插图是局部放大选定的区域。
 
       相关研究工作由中山大学Yi Wang课题组于2023年在线发表在《Adv. Energy Mater》期刊上，原文：Electronic Enhancement Engineering by Atomic Fe-N4 Sites for Highly-Efficient PEMFCs: Tailored Electric-Thermal Field on Pt Surface。

转自《石墨烯研究》公众号