武刚/庄小东ACS Catal.：核-壳结构Fe-N-C催化剂用于质子交换膜燃料电池

碳负载和氮配位的单铁位点材料（表示为Fe-N-C）是用于氧还原反应（ORR）的最有前途的无铂族金属（PGM）正极催化剂，因为它们具有优异的活性和不断提高的稳定性。然而，目前通过高温热活化从沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）纳米晶前体衍生的Fe-N-C催化剂通常存在难以接近的Fe位点，因为大多数活性位点被埋在块状碳纳米颗粒中。形态限制显著减轻了用于构建有效活性位点的关键三相界面，这需要足够的离聚物覆盖率来传导质子，因此抑制了质子交换膜燃料电池电极内反应物（即O ₂ ）的传质。

基于此， 美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授和上海交通大学庄小东研究员（共同通讯作者）等人 报道了一种设计核-壳复合材料前驱体的有效策略，该核-壳复合材料前体由来自ZIF-8的多面体N掺杂多孔碳核和来自基于Fe(III)-四苯基卟啉氯化物的共轭微孔聚合物的壳组成。

在文中，作者制备的Fe-N-C催化剂，其内核是来自ZIF-8的N掺杂多孔碳多面体，外壳是由氯化铁(III)-四苯基卟啉生成的共轭微孔聚合物。在高温热活化过程中，聚合物壳层分解并重排，在碳核表面形成具有丰富原子Fe位点的Fe-N-C层。通过X射线光电子能谱（XPS）测定，所制备的催化剂的浅分布Fe含量高达2.32 at %。此外，所制备的具有核-壳结构的Fe-N-C催化剂随着密度的增加，在壳层处含有大部分的原子Fe位点。

独特的催化剂设计可以缩短H ⁺ 和O ₂ 的扩散距离并促进H ₂ O产物的去除，从而促进厚的无PGM正极中的ORR。因此，具有最佳Fe-N-C催化剂的膜电极组件在0.9 V _iR‑free （1.0 bar O ₂ ）和0.8 V（1.0 bar空气）下实现了电流密度为32 mA cm ^-2 和102 mA cm ^-2 ，峰值功率密度为0.43 W cm ^-2 （1.0 bar空气）。该工作提供了一种构建M-N-C催化剂的方法，该催化剂在表面层具有易于访问的单金属活性位点，用于ORR和其他电催化反应。

Core-Shell Structured Fe-N-C Catalysts with Enriched Iron Sites in Surface Layers for Proton-Exchange Membrane Fuel Cells. ACS Catal., 2022 , DOI: 10.1021/acscatal.2c01358.

https://doi.org/10.1021/acscatal.2c01358.

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