氮掺杂沸石模板碳限域低载量铂纳米颗粒的氧还原反应电催化剂设计与性能优化

针对质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中氧还原反应(ORR)催化剂成本高、稳定性差的问题，中山大学团队通过调控沸石模板(P/A/Y型)和氮源(尿素/NH3)，构建了Pt载量仅0.97%的氮掺杂沸石模板碳(Pt@N-ZTC)电催化剂。该材料半波电位达0.855?V，2万次循环后仅衰减42?mV，质量活性为商用Pt/C的2倍，为低成本ORR催化剂开发提供新策略。

　　

在能源转型的大背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高能量转换效率和零排放特性备受关注。然而，制约其商业化的关键瓶颈在于氧还原反应(ORR)——这个涉及多步电子转移的复杂过程需要昂贵的铂基催化剂来克服缓慢的动力学障碍。更棘手的是，现有Pt催化剂不仅占PEMFCs总成本的55%，还面临迁移、奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)等降解问题。如何兼顾"低成本"与"高性能"，成为研究者们亟待破解的难题。

中山大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有三维开放孔道的沸石模板碳(ZTC)。这种材料继承沸石精确的孔道结构，兼具高比表面积和优异导电性，其微孔能像纳米笼子般稳定Pt团簇。研究人员通过化学气相沉积(CVD)技术，以乙酰烯为碳源，在600°C下将PtO₂@Y沸石转化为碳骨架，再通过NH₃热处理实现氮掺杂，最终获得Pt@N-YZTC催化剂。

关键技术包括：1) 采用PtO₂代替Pt纳米颗粒作为模板，避免高温碳化过程中的团聚；2) 系统比较P/A/Y型沸石模板对碳结构的影响；3) 优化尿素和NH₃两种氮源掺杂效果；4) 通过X射线光电子能谱(XPS)分析氮构型分布。

结果与讨论
材料合成：通过调控NaOH/Al(OH)₃比例合成不同沸石模板，其中Y型沸石衍生的ZTC具有最优孔径分布。透射电镜(TEM)显示Pt纳米颗粒被均匀限域在2-3?nm的碳笼中。

性能优化：NH₃处理的样品中，吡咯氮含量达35.8%，这些带正电的碳位点显著提升氧吸附能力。电化学测试显示，0.97?wt% Pt载量的催化剂在0.1?M HClO₄中质量活性达0.45?A?mg_Pt^-1，远超商业Pt/C(0.22?A?mg_Pt^-1)。加速耐久性测试后，半波电位仅从0.855?V降至0.813?V。

机理分析：X射线吸收精细结构(EXAFS)证实Pt-N配位键的形成，这种强相互作用有效抑制Pt迁移。密度泛函理论(DFT)计算表明，吡咯氮修饰的碳表面可降低ORR决速步(*O→*OH)能垒。

这项发表于《Inorganic Chemistry Communications》的研究，通过"沸石模板精确控孔"与"氮掺杂电子调控"的双重策略，实现了低铂载量下的高效ORR催化。其重要意义在于：1) 为破解PEMFCs成本瓶颈提供新材料体系；2) 提出的氮构型调控方法可拓展至其他金属催化剂；3) 开发的模板-限域合成技术对单原子催化剂制备具有启示作用。正如通讯作者Tongwen Yu强调的，这种"纳米笼工程"策略有望成为下一代燃料电池催化剂设计的通用范式。