碳孔限域高分散ZIF-67衍生Co-NC催化剂实现碱性介质高效氧还原

为解决铂基催化剂成本高、稳定性不足的问题，研究人员通过将ZIF-67前驱体限域生长于Ketjenblack EC-600JD（KB）纳米孔中，构建了高密度分散的Co-NC单原子催化剂（CoNC-700@C）。该催化剂在碱性介质中展现出967 mV的起始电位和892 mV的半波电位（vs. RHE），性能显著优于商用Pt/C，为低成本ORR催化剂设计提供了新策略。

　　

能源危机和环境问题日益严峻，开发高效可持续的能源转换技术成为全球焦点。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效率和零排放特性备受关注，但其核心反应——氧还原反应（ORR）动力学缓慢，需依赖昂贵的铂基催化剂。尽管过渡金属-氮-碳材料（M-NC）被视为潜在替代品，但其活性位点密度和稳定性仍远不及铂基材料。更棘手的是，铁基催化剂易发生Fenton反应导致性能衰减，而传统合成方法难以控制活性位点的纳米尺度分散。

针对这些挑战，中国某研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表研究，创新性地利用Ketjenblack EC-600JD（KB）多孔碳的纳米限域效应，将ZIF-67前驱体原位生长于碳孔内，经高温热解制备出碳孔限域的钴-氮-碳催化剂（CoNC-X@C）。通过调控热解温度（600-800°C），发现700°C处理的CoNC-700@C性能最优，其ORR起始电位达967 mV，半波电位892 mV，远超商用Pt/C。研究证实KB的纳米孔既能抑制ZIF-67晶体过度生长，又能防止热解过程中钴颗粒团聚，从而形成高密度分散的Co-N_x
活性位点。

关键技术包括：1）KB纳米孔限域合成ZIF-67晶体；2）梯度热解温度优化（600/700/800°C）；3）旋转圆盘电极（RDE）测试ORR性能；4）X射线吸收精细结构（XAFS）分析Co配位环境。

Results and discussion
通过透射电镜证实KB孔道内成功限域生长出5 nm级ZIF-67晶体。X射线衍射显示700°C热解后形成Co-N₄
构型，XAFS证明Co-N配位数为4.1。电化学测试表明CoNC-700@C的动力学电流密度达12.3 mA cm^-2
，是Pt/C的1.8倍。加速耐久测试后半波电位仅衰减8 mV，远优于未限域的对照组催化剂。

Conclusions
该研究开创性地利用碳孔纳米限域效应，同步解决了M-NC催化剂活性位点密度低和分散性差的难题。所提出的"纳米反应器"合成策略可推广至其他单原子催化剂体系，为燃料电池非贵金属催化剂设计提供了新范式。值得注意的是，该方法仅需常规热解设备，具有工业化放大潜力。

讨论
作者指出KB的三维互联孔道不仅优化了物质传输，其高导电性还促进了电子转移。相比传统混合法合成的CoNC-700/C，限域样品的活性位点暴露率提升3.2倍。未来研究可进一步探索孔道尺寸与金属负载量的定量关系，以及酸性介质中的稳定性机制。这项成果为突破ORR催化剂"活性-稳定性权衡"困境提供了实质性进展。