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构筑高活性质子交换膜燃料电池阴极氧还原催化剂并降低贵金属铂（Pt）的用量，一直是纳米催化剂材料领域研究的难点和热点。碳基过渡金属单原子催化剂（M-N-C）具有元素利用率高、本征活性强以及成本低、储量相对丰富的优势，在电催化氧还原反应过程中展现出独特的优势和广阔的应用前景。现阶段，M-N-C作为独立催化剂，在强腐蚀、高电位环境下的活性和稳定性尚不能满足燃料电池实际应用的指标需求。而已有研究证实M-N-C作为贵金属催化剂载体可与Pt等金属产生协同催化效果，表现出良好的助催化剂效果。虽然M-N-C作为载体和助催化剂传质效果突出、综合活性良好，但现有工艺手段想制备出结构单一、物相纯净的高载量M-N-C催化剂载体仍面临着挑战，这主要是由于常规热解方法等合成策略处理碳氮前驱体构筑M-N-C过程中不可避免的发生金属元素聚集、氮挥发以及配位结构不稳定等现象，导致简易构筑碳载铂基催化剂颇具挑战性。
为了实现利用具有非单原子结构如金属团簇、颗粒和纳米氧化物同时存在的碳基载体构筑性能优良、稳定性突出的氧还原催化剂，中国科学院青岛能源所研究员梁汉璞带领的能源材料与纳米催化研究组，在生物质衍生Fe-N-C，金属框架聚合物形貌结构调整以及碳载铂基合金纳米催化剂材料合成工作的基础上，设计开发了一步简易有效的原位合金化策略，利用多巴胺衍生的同时具有Fe-Nx、Fe颗粒和FeyOx分布的碳基杂化结构为基底与铂盐在一定条件下完成三种铁源向PtFe合金的有效转变（图1）。研究表明，在三相溶液中通过合适的络合盐选择可以合成具有铁均匀掺杂的介孔聚多巴胺前驱体，经过后期简易碳化处理可以实现小于10nm介孔的均匀分布，且具有丰富单原子Fe和少量的Fe颗粒、氧化物存在，在不经过酸洗的情况下直接作为基底与铂盐复合，经过热处理可以获得物相纯净的介孔Fe-N-C负载的PtFe合金纳米催化剂（图2）。
合成的介孔Fe-N-C负载PtFe催化剂在酸性环境下半波电位达到0.925 V vs. RHE，质量活性达到497.5 mA mgPt-1，表现出显著优于商业在售Pt/C （162 mA mgPt-1）的性能和活性（图3）。本研究的试验设计思路和成果可为更好利用过渡金属单原子基催化剂载体构筑铂基氧还原催化剂提供了新的研究思路。
相关研究成果发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。研究工作得到山东省自然科学基金面上项目、青岛创业创新领军人才基金、大连化物所-青岛能源所两所融合项目基金以及中国科学院洁净能源创新研究院合作基金的支持。该研究由中国科学院高能物理研究所与青岛能源所合作完成。
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图1. 介孔Fe-N-C载体合成并通过原位合金化构筑PtFe/Fe-N-C催化剂
图2. 原位合金化合成PtFe/Fe-N-C催化剂氧还原催化活性评价
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