物理化学双诱导生长优化多孔Fe-N-C催化剂尺寸以提升活性位点可及性

针对单原子Fe-N-C催化剂活性位点可及性低、催化活性远逊于Pt基催化剂的问题，研究人员通过物理限域与化学诱导生长协同策略，将催化剂粒径从微米级精准调控至623-421 nm，构建有序大孔框架并实现活性位点最大化暴露。优化后的OM-Fe-NC-4在酸性介质中半波电位达0.888 V，超越商用Pt/C及多数Fe-N-C催化剂，为提升非贵金属催化剂活性位点可及性提供新范式。

　　

论文解读
在质子交换膜燃料电池和金属-空气电池领域，铂(Pt)基催化剂虽占据主导地位，但其高昂成本与稳定性缺陷严重制约商业化进程。近年来，以铁-氮-碳(Fe-N-C)为代表的非贵金属催化剂因具有原子级分散的Fe-N_x活性位点而备受关注，但其活性位点常被厚碳基质包裹，导致可及性不足，体积活性较Pt/C低20-30%。现有研究通过锌咪唑框架(ZIF-8)衍生或聚苯乙烯(PS)模板法构建大孔结构，但粒径调控范围局限在微米级(1.3-4.3 μm)，内部活性位点仍难充分暴露。如何平衡粒径缩减与大孔结构稳定性，成为突破Fe-N-C催化剂性能瓶颈的关键。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，提出物理化学双诱导生长策略。通过物理破碎将初始粒径从1.91 μm降至641.3 nm，再经化学诱导溶剂比例调控，最终获得粒径423 nm且保有有序大孔的OM-Fe-NC-4催化剂。该催化剂在酸性介质中半波电位(E_1/2)达0.888 V，动力学电流密度14.7 mA cm^?2（0.85 V），四电子选择性优异，性能超越商用Pt/C。

关键技术方法
研究采用PS模板法构建有序大孔框架，结合球磨物理破碎实现粒径初步缩减；通过调控氨水/甲醇化学诱导溶剂比例控制晶体生长动力学，实现纳米级粒径(623-421 nm)精准调控；利用同步辐射X射线吸收谱(XAS)确认Fe单原子配位环境；旋转环盘电极(RRDE)测试评估ORR活性和选择性。

研究结果
物理限域效应：球磨处理使OM-Fe-NC-uncrushed平均粒径从1.91 μm降至641.3 nm，比表面积提升2.3倍，微孔体积增加47%。
化学诱导生长调控：当氨水/甲醇体积比为1:4时，粒径优化至423 nm，且Fe K-edge XANES显示Fe价态接近+2，证实Fe-N₄位点完整性。
性能验证：OM-Fe-NC-4的E_1/2较未优化样品提升88 mV，质量活性达3.21 A mg_Fe^?1（0.85 V），H₂O₂产率低于2%，表明高效四电子转移路径。

结论与意义
该研究创新性地将物理限域与化学诱导生长相结合，突破传统PS模板法仅能调控微米级粒径的限制，首次实现Fe-N-C催化剂在保持有序大孔结构前提下粒径降至420 nm阈值以下。粒径减小与多级孔道协同作用使活性位点可及性提升3.8倍，电子转移速率提高2.1倍。这一双维度调控策略为设计高性能非贵金属催化剂提供普适性方法，对推动燃料电池低成本化具有重要实践意义。