轴向硫配位工程增强Fe-N-C催化剂性能以助力高性能质子交换膜燃料电池OA
Axial Sulfur-Coordination Engineering Boosting Fe-N-C Catalysts for High-Performance Proton Exchange Membrane Fuel Cells
Fe-N-C 催化剂长期受限于氧还原反应动力学迟缓的问题,这源于其对氧中间体的过度吸附强度及较低的活性位点利用率.杂原子掺杂通过调节金属位点的电子结构优化中间体吸附,有效加速氧还原反应动力学,而化学气相沉积技术可以提升活性位点的周转频率.本文采用双前驱体的化学气相沉积策略,开发出富含 FeS1N4 位点的 FeSNC催化剂.实验与理论分析表明,硫元素的引入打破了活性位点的对称配位,将 OH*吸附能从 0.212 eV优化至 1.194 eV.此外,活性位点的周转频率从 1.98 e-1·site-1·s-1 提升至 6.32 e-1·site-1·s-1,显著增强了催化剂的本征活性.更值得注意的是,含硫物种的亲水性显著提高了掺硫催化剂的亲水性,从而促进了氧气和质子传输.因此,FeSNC 催化剂在 0.1 mol·L-1 HClO4 中表现出极高的 0.863 V半波电位,并在 H2-O2 质子交换膜燃料电池中达到 1.2 W·cm-2 的峰值功率密度.这项工作突出了配位工程的关键作用.
Fe-N-C catalysts have long suffered from kinetically sluggish oxygen reduction reaction(ORR)due to excessive adsorp-tion strength toward oxygen intermediates and low site utilization.Heteroatom doping effectively accelerates ORR reaction kinetics through electronic structure modulation of metal sites for optimal intermediate adsorption,while chemical vapor deposition(CVD)enhances the turnover frequency(TOF)of active sites.Herein,we developed an FeSNC catalyst featuring abundant FeS1N4 sites via a dual-precursor CVD strategy.Experimental and theoretical analyses revealed that S incorpora-tion disrupts the symmetric coordination of active sites,which optimizes OH* adsorption energies from 0.212 eV to 1.194 eV.Moreover,the TOF increased from 1.98 e–1·site–1·s–1 to 6.32 e–1·site–1·s–1,significantly enhancing the intrinsic activity of the cat-alyst.More notably,the hydrophilic character of S-containing species substantially improved hydrophilicity in the S-doped catalyst,thereby promoting mass transport of oxygen and proton delivery.As a result,the FeSNC catalyst exhibited an ex-tremely high half-wave potential of 0.863 V in 0.1 mol·L–1 HClO4 and achieved a peak power density of 1.2 W·cm–2 in H2-O2 PEMFCs.This work highlights the critical role of coordination engineering.
林琳;万浩;葛君杰;侯秀旋;樊哲琛;尹义轩;赵纬祎;魏恺;周雨蝶;候利娜;王颖
中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026吉林省氢能产业研究院,中国科学院长春应用化学研究所,吉林 长春 130022||中国科学技术大学应用化学与工程学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026中国科学技术大学精密智能化学国家重点实验室,安徽 合肥 230026||中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026吉林省氢能产业研究院,中国科学院长春应用化学研究所,吉林 长春 130022||中国科学技术大学应用化学与工程学院,安徽 合肥 230026
氧还原反应Fe-N-C杂原子掺杂电子调控氧传质
Oxygen reduction reactionFe-N-CHeteroatom dopingElectronic regulationMass transport
《电化学（中英文）》 2026 (3)
1-11,11
The work was supported by the National Key Research and Development program of China(2022YFB4004100),the National Natural Science Foundation of China(U22A20396),the University of Science and Technology of China,Academic Leading Talent Cultivation Program(KY2060000272),the Chi-na Postdoctoral Science Foundation(2024M753087,GZC20241623),National Natural Science Foundation of China(22373097),the Jilin Province Science and Technology Development Program(20260601015RC).Part of the computational time is supported by the High Performance and Computing Center of Jilin Province,Network and Computing Center in Chang-chun Institute of Applied Chemistry,Chinese Acade-my of Sciences.Thank the Shanghai Synchrotron Ra-diation Facility for conducting the X-ray absorption spectroscopic experiments at BL14W1 station.
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