焦耳加热法制备相依赖电子结构的PdFe合金实现高效氧还原催化

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)中氧还原反应(ORR)动力学缓慢、铂基催化剂成本高的问题，研究人员通过焦耳加热策略构建了氮掺杂碳负载的PdFe合金(NC-FePd)。该催化剂通过立方相FePd3 纳米颗粒的均匀分散和电子转移效应，显著降低Pd的d带中心，在碱性介质中展现出0.84 V vs. RHE的半波电位和6.01 mA cm?2 的极限电流密度，性能优于商用Pt/C。该研究为设计高活性、长寿命合金催化剂提供了新思路。

　　

在追求碳中和的背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放特性成为能源转换的关键技术。然而，其阴极氧还原反应(ORR)的缓慢动力学需要大量铂(Pt)催化剂，而Pt的高成本和资源稀缺性严重制约了商业化进程。更棘手的是，传统Pt/C催化剂在长期运行中易发生颗粒团聚和性能衰减。面对这些挑战，具有类似晶体结构且储量更丰富的钯(Pd)成为替代候选，但纯Pd对氧中间体(?OOH, ?O)的过强吸附反而限制了催化效率。

针对这一难题，大连海事大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了一项突破性研究。他们创新性地采用焦耳加热技术，在氮掺杂碳(NC)载体上构建了铁-钯合金催化剂(NC-FePd)，通过精确控制合金相结构和电子性质，实现了ORR性能的显著提升。这项研究不仅解决了传统合金制备中相分离和卤化物残留的问题，更通过超快热冲击技术锁定了具有催化优势的立方相FePd₃
结构。

研究团队运用了三个关键技术：首先采用铁酞菁(FePc)作为分子前驱体，其大环结构可原位生成氮掺杂碳基质；其次利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)模板控制纳米颗粒尺寸；最关键的是通过焦耳加热实现毫秒级升降温(1000°C/0.5秒)，动态捕获亚稳态合金相。

结构表征显示，NC-FePd催化剂形成了平均尺寸9.9 nm的均匀纳米颗粒，X射线衍射(XRD)证实了立方相FePd₃
的晶格膨胀，X射线光电子能谱(XPS)则揭示了Pd向Fe的电子转移使Pd的d带中心下移0.3 eV。这种电子重构使Pd-O结合能减弱，从根本上优化了ORR中间体的吸附强度。

电化学性能测试表明，在0.1 M KOH电解液中，NC-FePd的半波电位达到0.84 V vs. RHE，超越商用Pt/C(0.82 V)，且极限电流密度提升至6.01 mA cm^?2
，塔菲尔斜率降至53.73 mV dec^?1
。加速耐久性测试后，其活性衰减可忽略不计，5000次循环后仍保持95%的初始活性，这归功于焦耳加热形成的稳定金属-载体相互作用。

结论与意义：该研究开创了焦耳加热合成合金催化剂的新范式，通过FePc前驱体设计、CTAB形貌控制和超快热力学调控的三重协同，实现了FePd₃
立方相结构的精准构筑。电子结构分析表明，Fe掺杂诱导的应变效应和配体效应共同优化了Pd的催化位点，而分级多孔碳骨架(542 m²
/g)确保了高效传质。这项工作为开发非铂ORR催化剂提供了普适性策略，其快速、节能的制备工艺更具工业化应用前景，对推动燃料电池商业化具有重要意义。