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在聚合物电解质燃料电池（PEFCs）中，Fe-N-C 催化剂是替代 Pt 基催化剂用于氧还原反应（ORR）的潜力之选，但耐久性不佳阻碍其应用。研究人员用微波（MW）加热处理 Fe-N-C 催化剂，发现能提升 4e? ORR 选择性，抑制 H?O?生成，对其实际应用意义重大。
在能源领域，聚合物电解质燃料电池（Polymer Electrolyte Fuel Cells，PEFCs）作为一种高效、清洁的能源转换装置，备受关注。其中，氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction，ORR）是其关键环节。传统的 Pt 基催化剂虽然在 ORR 中表现出色，但高昂的成本和稀缺的资源限制了其大规模应用。于是，原子分散的负载型铁（Fe-N-C）催化剂应运而生，被视为极具潜力的替代者。
过去十年间，Fe-N-C 催化剂的合成技术不断进步，部分催化剂的初始活性已接近商业 Pt 基催化剂。然而，它在实际应用中却困难重重。在酸性条件下，Fe-N-C 催化剂会快速失活，长期运行时也容易降解。深入研究发现，这背后的 “罪魁祸首” 包括多种因素。比如，通过 2e? ORR 途径生成的 OH 自由基会氧化碳，引发碳腐蚀；铁阳离子催化的芬顿反应会使通过 2e? ORR 生成的 H?O?分解为 OH 自由基，进一步加剧碳表面的氧化；碳氧化还会增加微孔的亲水性，导致微孔被水淹没，阻碍 O?扩散。这些因素相互交织，极大地限制了 Fe-N-C 催化剂的长期耐久性。所以，提高 ORR 对理想的 4e? ORR 途径的选择性，成为增强催化剂耐久性的关键策略。
为了解决这一难题，来自国外的研究人员开展了一项关于微波（Microwave，MW）加热对 Fe-N-C 催化剂性能影响的研究。研究成果发表在《Catalysis Today》上，为该领域带来了新的突破。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是采用文献报道的方法合成初始 Fe-N-C 样品，并通过酸洗去除铁纳米颗粒；二是利用单模微波加热系统对样品进行处理，该系统能在几分钟内将样品快速加热到 900 oC；三是借助 XRD（X 射线衍射）、HAADF-STEM（高角度环形暗场扫描透射电子显微镜）等表征技术对催化剂进行分析。
研究人员首先对比了微波加热和传统加热方式。单模微波加热系统能提供稳定的电磁场，直接加热负载在流动反应器中的 Fe-N-C 材料，实现快速升温。XRD 表征证实了 ZIF-8（一种金属有机框架材料）成功结晶。
接着，研究人员重点关注了 H?O?选择性。实验数据表明，微波加热显著降低了 H?O?选择性。通过分析文献数据发现，随着催化剂负载量增加，选择性呈下降趋势，而微波加热能将 H?O?生成抑制到目前报道的最低水平，在不牺牲催化活性的同时，极大地提高了对 4e? ORR 途径的选择性。
此外，HAADF-STEM 分析显示，微波处理后热解的 ZIF-8 颗粒表面变得弯曲且粗糙。结合其他表征数据可知，微波加热使 Fe-N-C 催化剂中的 N 和 O 原子减少，同时铁含量在加热≥1 秒后仍保持在约 1.3 wt% 。而且，微波加热后催化剂的碱性增强，超过了在 1050 oC 氩气气氛下热解合成的 Fe-N-C 催化剂。
研究结论表明，微波加热能有效提高 Fe-N-C 催化剂对 4e? ORR 途径的选择性，抑制 H?O?生成，且维持催化活性。研究人员推测，微波加热选择性地去除了导致 2e? ORR 途径的无金属 N 和 O 位点，以及可能与碳框架弱结合的 Fe 位点，同时保留了 Fe-N?位点，从而提升了选择性。
这项研究意义重大。它为解决 Fe-N-C 催化剂在 PEFCs 中耐久性差的问题提供了新的思路和方法。微波加热技术操作简便、效率高，有望应用于实际生产，制备出更高效、耐用的 Fe-N-C 催化剂，推动聚合物电解质燃料电池的商业化进程，为清洁能源领域的发展注入新的活力。
