揭秘碱性环境下离子聚合物对多孔 Fe-N-C 催化剂的影响：开启 AEMFCs 性能优化新篇

在碱性交换膜燃料电池（AEMFCs）研究中，为探究离子聚合物对多孔 Fe-N-C 催化剂氧还原反应（ORR）性能影响，研究人员以 Mg 模板化 Fe-N-C 为催化剂，测试不同离子聚合物及 I/C 比。结果发现 Nafion 在高电流密度下表现最佳，Sustainion 在动力学区域性能突出，该研究为 AEMFCs 催化剂层优化提供方向。

　　随着全球对清洁能源需求的不断攀升，燃料电池作为一种高效、环保的能源转换装置，受到了广泛关注。其中，碱性交换膜燃料电池（AEMFCs）凭借可使用廉价的非铂族金属（PGM）催化剂这一优势，有望取代传统化石燃料发电，成为未来能源领域的重要发展方向。铁配位氮掺杂碳（Fe-N-C）单原子电催化剂在非铂氧还原反应（ORR）中展现出卓越的活性，被视为极具潜力的催化剂材料。

然而，目前该领域的研究大多聚焦于碱性条件下的材料开发，对催化剂层制备过程的关注相对较少。要知道，催化剂层的性能对燃料电池的整体表现起着关键作用，它直接影响着反应的进行效率和能量转换效率。在实际应用中，燃料电池的性能受到多种因素的制约，例如，使用旋转圆盘电极（RDE）评估催化剂活性时，其结果与膜电极组件（MEA）在燃料电池系统中的实际表现存在差异。这是因为 RDE 测试环境较为理想化，与 MEA 实际运行环境不同，且 RDE 无法准确评估催化剂层参数对 ORR 性能的影响。此外，直接研究 AEMFCs 面临诸多挑战，如复杂的水管理问题以及难以分离阴极响应等。

为了深入了解离子聚合物对多孔 Fe-N-C 催化剂在气体扩散电极（GDE）中 ORR 性能的影响，来自伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的研究人员开展了一系列实验研究 。他们的研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为优化 AEMFCs 的催化剂层提供了重要的理论依据和实践指导。

研究人员主要运用了材料合成、电化学测量和材料表征这几种关键技术方法。在材料合成方面，通过特定的热解和配位反应制备出目标 Fe-N-C 电催化剂；电化学测量则借助旋转圆盘电极（RDE）和气体扩散电极（GDE）两种体系，对催化剂的电化学性能进行评估；材料表征采用 X 射线衍射（XRD）、N?吸附和 X 射线光电子能谱（XPS）等手段，分析催化剂的结构和表面化学组成。

结果与讨论

1. 催化剂的制备与表征：研究人员通过热解 2,4,6 - 三氨基嘧啶（TAP）和氯化镁六水合物（MgCl??6H?O），并进行铁配位反应，成功制备出 Fe-N-C 催化剂（TAP900@Fe）。XRD 测量显示材料呈高度无定形结构，未检测到铁的氧化物、氮化物等衍射峰，表明铁以 FeN?形式存在。XPS 测量进一步分析了材料表面化学组成和元素氧化态。N?吸附测试表明，该催化剂具有高达 3615 ± 58 m2/g 的比表面积，总孔体积为 3.11 cm3/g，且介孔 / 大孔体积达 2.87 cm3/g ，在同类 Mg 基催化剂中表现优异。
2. RDE 测试：在 RDE 测试中，研究人员发现使用 Sustainion 和 Piperion 离子聚合物制备的催化剂层在接触电解液时，机械稳定性较差，容易出现催化剂脱落现象。添加 Nafion 作为粘合剂后，虽能在一定程度上改善 Sustainion 催化剂层的稳定性，但 Piperion 仍无法有效防止脱落。因此，研究人员重点研究了 Nafion 离子聚合物修饰的 TAP900@Fe 催化剂，其在 0.9 VRHE 和 0.8 VRHE 下的动力学质量活性分别为 0.49 ± 0.07 A/g_FeNC和 42.1 ± 10.1 A/g_FeNC 。
3. GDE 测试：在 GDE 测试中，研究人员选择了高 I/C 比（2.1 和 2.8），并固定电解液浓度为 1 M KOH，催化剂负载量为 0.49 ± 0.02 mg_cat/cm2。研究发现，尽管 Nafion 在提供状态下不能传输氢氧根离子，但其修饰的电极在高电流密度下表现最佳，在 1 A/cm2 时达到 0.737 ± 0.010 VRHE 。Sustainion 修饰的电极在 I/C = 2.8 时，虽性能略逊于 Nafion，但在动力学区域表现出更高的本征活性。Piperion 修饰的电极由于催化剂层不稳定等问题，测试结果误差较大。
4. 催化剂层形态分析：通过扫描电子显微镜（SEM）分析发现，Sustainion 在催化剂表面易形成大的离子聚合物簇，覆盖表面并堵塞孔隙，增加了氧气传输阻力，导致高电流密度下性能下降。而 Nafion 修饰的催化剂层结构更均匀，在高电流密度下表现更优。此外，研究还发现适当提高 I/C 比，可增加离子聚合物覆盖度，提升催化剂性能，但过高的 I/C 比会导致离子聚合物饱和，增加质量传输阻力。
5. 与其他催化剂性能对比：与文献中的商业 Fe-N-C 催化剂相比，TAP900@Fe 催化剂在低负载下仍具有较高的活性位点可及性，在 1 A/cm2 时的电位比大多数商业 Fe-N-C 催化剂更高，展现出良好的质量传输性能。不过，与 Pt/C 催化剂相比，其起始电位和整体性能仍存在差距。

研究结论与意义
研究人员通过对不同离子聚合物和 I/C 比的研究，明确了高 I/C 比对于多孔 Fe-N-C 催化剂在碱性环境下的重要性。Sustainion 在 I/C = 2.8 时在动力学区域性能最佳，Nafion 则能形成更均匀的催化剂层，在高电流密度（>10 mA/cm2）下表现卓越。TAP900@Fe 催化剂凭借其高孔隙率，在碱性条件下展现出优异的 ORR 性能。该研究为制备高效的多孔 Fe-N-C 阴极催化剂层提供了新的思路，有助于推动 AEMFCs 的商业化进程。未来，研究人员将进一步优化 GDE 中的催化剂层，探索不同阴离子交换离子聚合物和阴离子交换膜（AEMs）的作用，并将相关知识应用于 AEMFCs 测试，为燃料电池领域的发展持续助力。