用于氧电还原的单原子电子结构与界面微环境的协同调控

《Chem》：Concerted modulation of single-atom electronic structure and interfacial microenvironment for oxygen electroreduction

　　

宏观视角

燃料电池的实际性能不仅取决于催化剂本身的活性，反应物还必须高效地穿过催化剂层到达发生电化学反应的位置。对于Fe–N–C阴极而言，这是一个特别具有挑战性的问题——作为铂基催化剂的有前景替代品，它们通常需要相对较厚的催化剂层。在这类电极中，氧气传输可能成为主要限制因素。我们的研究表明，对催化剂的修饰可以同时影响反应位点及其周围局部环境，从而在燃料电池工作条件下同时改善氧还原动力学和氧气传输。

本研究提出了一种催化剂设计思路，将活性位点及其周围界面视为一个相互连接的系统。尽管在本研究中展示的是氧还原反应，但相同原理也可能适用于其他动力学与局部传输紧密耦合的电化学反应。推广这种方法有助于将催化剂材料的进步转化为更高效的电化学装置，包括燃料电池和其他清洁能源技术。此类进展最终可能支持电化学能量转换的更广泛应用，并有助于构建更加可持续、低碳的能源系统。

研究亮点

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低Ru负载实现活性位点与界面的协同调控

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电子相互作用减弱*OH结合并促进解离型氧还原反应

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动态界面水将氧气传输阻力降低18.5%

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Ru/Fe–N–C在实际H₂-空气PEMFC中功率密度达到603 mW cm^?2

摘要

原子分散铁基催化剂(Fe–N–C)是有前景的质子交换膜燃料电池(PEMFC)无铂氧还原反应催化剂，但其实际应用受到本trinsic活性有限以及厚催化剂层中氧气传输效率低下的限制。在此，我们研究了一种在Fe–N–C上负载低含量钌(Ru)纳米粒子的杂化催化剂，以实现活性位点结构与界面微环境的协同调控。Ru的引入改变了Fe–N₄的电子结构，优化了含氧中间体的吸附和反应路径。同时，它重构了界面氢键网络，促进了更加动态的界面，从而降低了氧气传输阻力。通过结合增强的本征活性和改善的氧气传输，Ru/Fe–N–C阴极在实际H₂-空气条件下实现了603 mW cm^?2的峰值功率密度——比纯Fe–N–C提高了21.9%——展示了协同调控如何克服Fe–N–C阴极的关键限制。

图形摘要