FeNx位点强电子相互作用支撑的低载量Pt纳米颗粒实现高效氧还原性能

为解决燃料电池阴极氧还原反应(ORR)中Pt催化剂载量高、活性不足的问题，研究人员通过溶热法将Pt纳米颗粒锚定在富FeNx位点的氮掺杂碳载体上，构建了低载量(10 wt%)高效催化剂。XPS和DFT证实FeNx位点通过电子相互作用降低Pt的d带中心，促进*OH脱附，使半波电位(E1/2)达0.887 V，优于商用Pt/C(0.849 V)，且稳定性提升至94%。该研究为设计高性能低Pt催化剂提供了新策略。

　　

在全球能源结构转型的背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其环保特性和高能量密度被视为最具潜力的清洁能源技术之一。然而，制约其大规模应用的核心瓶颈在于阴极氧还原反应(ORR)的缓慢动力学过程，这导致需要大量使用昂贵的铂(Pt)催化剂。尽管商业碳载铂(Pt/C)催化剂表现优异，但其高成本和有限的活性仍难以满足实际需求。更棘手的是，传统Pt/C催化剂在长期运行中易发生Pt颗粒溶解和团聚，进一步降低了催化效率。如何在不牺牲性能的前提下降低Pt载量，成为推动燃料电池技术产业化的关键科学问题。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项突破性研究。他们创新性地将低载量Pt纳米颗粒(10 wt%)锚定在富含FeN_x活性位点的氮掺杂碳载体上，通过精确调控金属-载体电子相互作用，成功实现了ORR性能的显著提升。这项研究不仅揭示了FeN_x位点与Pt纳米颗粒间的电子转移机制，更为设计下一代高性能低Pt催化剂提供了理论指导和实践方案。

研究团队主要采用了溶热法合成催化剂，结合X射线光电子能谱(XPS)分析电子结构，通过密度泛函理论(DFT)计算阐明反应机理，并采用旋转圆盘电极(RDE)测试评估ORR性能。特别值得注意的是，他们引入尿素作为额外氮源，显著提高了载体中FeN_x位点的密度，这为增强金属-载体相互作用奠定了基础。

Structural characterization of catalysts
通过XRD和TEM证实成功制备了粒径2-3 nm且均匀分布的Pt NPs，锚定在具有多孔结构的Fe-NC-U载体上。XPS分析显示尿素引入使氮含量提升至14.7%，并形成丰富的FeN_x位点。差分电荷密度图直观展示了Pt/FeN_x界面的电子重分布现象。

DFT理论计算
计算结果表明FeN_x位点能有效促进电子向Pt NPs转移，使Pt的d带中心下移0.15 eV，这显著降低了*OH中间体的吸附能（从-2.31 eV降至-1.89 eV），从而加速了ORR速率决定步骤的进行。

电化学性能测试
在0.1 M KOH电解液中，Pt/Fe-NC-U的E_1/2达到0.887 V，比商业Pt/C正移38 mV。计时电流测试10小时后仍保持94%的初始活性，优于Pt/C的89%。对照实验证明，不含Fe的NC-U载体催化剂性能显著下降，证实FeN_x位点的关键作用。

这项研究通过实验与理论的紧密结合，系统阐明了低载量Pt催化剂的高效ORR机制。FeN_x位点不仅作为锚定中心防止Pt NPs聚集，更重要的是通过强电子相互作用优化了Pt的电子结构，从而同时提升了催化活性和稳定性。该工作提出的"高密度FeN_x位点+低载量Pt"设计策略，为突破燃料电池成本瓶颈提供了新思路，对推动清洁能源技术的发展具有重要实践意义。特别值得注意的是，研究中采用的尿素辅助合成方法简单易行，具有良好的工业化应用前景，这为后续开发更高效的能源转化材料奠定了坚实基础。