Fe-N-C催化劑是用于質子交換膜燃料電池的氧還原反應的鉑族催化劑的有希望的替代品。然而，與非貴金屬催化劑相比，Fe-N-C 催化劑的耐久性較差，因為它們通過芬頓反應加速了脫金屬。在這項研究中，我們報告了三聚氰胺封裝的 Co-ZnO-C 復合材料的合成，該復合材料作為沸石-咪唑框架 (ZIF-8) 的前體和模板。這種方法允許形成 Co-N-C，以在中孔和大孔尺度上構建獨特的結構，同時保持微孔性。密度泛函理論分析證實了 Co-N-C 催化劑優于其他 M-N-C 催化劑（M = Fe、Ni、Cr 和 Mn）的穩定性。此外，它揭示了 Co-N4 部分和有機加合物之間的封閉相互作用增強了親氧性，這更喜歡 4 電子 ORR 活性。具有發達孔隙結構的 Co-NC 催化劑顯示出顯著的耐久性（100 小時性能下降 6.7%）和在 1 bar 背壓（最大功率密度為 723 mW/cm
2）下的 H2/O2 中的全電池性能。因此，合成催化劑的獨特結構成功地轉化為半電池中計算確定的 ORR 活性；在實際設備操作和穩定性分析中可以看到卓越的耐用性。這項工作有望支持下一代燃料電池的開發。
Figure 1. （a） 噴霧熱解、假晶態復制（轉化為MOF）和900°C碳化合成ma-Co-NC（三聚氰胺添加Co-NC）和對Co-NC（原始Co-NC）的示意圖。 三聚氰胺在噴霧熱解過程中部分分解，在碳化過程中完全分解。（b） ma-Co-NC 和 （c） p-Co-NC 的 SEM 圖像。
Figure 2. （a）ma-Co-NC和（b）p-Co-NC的HADDF-TEM圖像及其鈷，氮和碳的元素映射圖像。（c） HADDF-STEM圖像和（d）原子尺寸水平上ma-Co-NC的放大圖像。
Figure 3. (a) 氮等溫線圖和 (b) ma-Co-NC 和 p-Co-NC 的孔徑分布圖的結構特性，孔徑分布圖使用水銀孔隙率計測量。 (c) XAS 光譜 Co K 邊緣 XANES 和 (d) ma-Co-NC 和 p-Co-NC 的實驗 EXAFS 光譜和擬合光譜。 （點代表實驗光譜，線代表擬合光譜）。
Figure 4. (a) ma-Co-NC 和 p-Co-NC 在 O
2 飽和的 0.5 M H
2SO
4 電解液中的 ORR 極化圖（掃描速率為 5 mV/s）。 (b) ma-Co-NC 的 H
2O
2 產率和電子傳輸數。 (c) ma-Co-NC、p-Co-NC 和 ma-Fe-NC（原子分散的 Fe-NC）在電位循環測試前后的半波電位比較。 (d) ma-Co-NC、p-Co-NC 和 ma-Fe-NC 的 H
2/O
2 燃料電池性能。
Figure 5. (a) ma-Co-NC 和商業 Pt/C 在 0.7 V 恒定電位下 100 小時內的單電池耐久性測試。 (b) p-Co-NC、ma-Co-NC和ma-Fe-NC穩定性測試前后的單電池性能退化和金屬溶解率。 (c) 從 TM-N
4 活性位點計算的每個過渡金屬離子的脫金屬能。 (d) 過渡金屬基催化劑與耐久性相關的燃料電池性能比較（耐久性因子 = 1/（損失%/小時））
Figure 6. (a) 計算裸 Co-N
4 和 Fe-N
4 活性位點的締合 ORR 途徑的自由能分布。 (b) 軸向配位對 *OOH 結合強度的影響取決于化學種類和距離。 (c) 為每個具有最大或最小 *OOH 結合能的軸向配位結構計算的自由能分布。 (d) Co活性位點的自旋密度與*OOH結合能之間的相關性。 (e) 基于晶體場理論的軸配位結構分子軌道示意圖。
相關研究工作由韓國慶熙大學Sung Jong Yoo課題組于2022年在線發表于《Applied Catalysis B: Environmental》期刊上，原文：Design of Co-NC as efficient electrocatalyst: The unique structure and active site for remarkable durability of proton exchange membrane fuel cells。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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