燃料電池作為一種高效、清潔的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，可將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，是未來能源體系的重要組成部分。然而，其商業(yè)化應(yīng)用受到陰極氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)的嚴(yán)重制約。目前廣泛使用的鉑基催化劑成本高昂、資源稀缺，開發(fā)低成本、高性能的非貴金屬替代材料成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。近年來，鐵-氮-碳（FeNC）單原子催化劑因其高活性和原子級(jí)分散的特性受到廣泛關(guān)注，展現(xiàn)出替代鉑基催化劑的潛力。然而，該類催化劑在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中穩(wěn)定性不足，特別是在不同pH條件下表現(xiàn)出顯著的性能差異，其背后的機(jī)理尚不明確，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心蘇東研究員團(tuán)隊(duì)與西安交通大學(xué)蘇亞瓊教授、北京航空航天大學(xué)水江瀾教授等合作，通過多種先進(jìn)原位表征技術(shù)與理論計(jì)算相結(jié)合，在原子尺度上系統(tǒng)揭示了FeNC催化劑在酸性和堿性環(huán)境中的差異化降解機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了"交叉環(huán)境測(cè)試"方法，發(fā)現(xiàn)催化劑在酸性環(huán)境中降解后，在堿性條件下仍能保持優(yōu)異活性，反之亦然，表明不同pH環(huán)境中的失活路徑存在本質(zhì)差異。

通過綜合運(yùn)用準(zhǔn)原位電鏡、電子能量損失譜和穆斯堡爾譜等分析手段，研究團(tuán)隊(duì)明確了降解機(jī)制的關(guān)鍵差異：酸性條件下以鐵活性位點(diǎn)（特別是S1類型）的溶出為主；而堿性條件下則以碳載體腐蝕為主導(dǎo)，導(dǎo)致材料長(zhǎng)程有序性下降。理論計(jì)算進(jìn)一步從機(jī)理上闡明，酸性環(huán)境中鐵中心為主要活性位點(diǎn)，而堿性環(huán)境中羥基吸附使鐵位點(diǎn)鈍化，鄰近碳原子成為活性主導(dǎo)?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過前驅(qū)體工藝調(diào)控，驗(yàn)證了"鐵中心主導(dǎo)酸性穩(wěn)定性、碳基底決定堿性耐久性"的設(shè)計(jì)策略，為針對(duì)不同燃料電池環(huán)境開發(fā)高性能FeNC催化劑提供了新思路。該研究深化了對(duì)非貴金屬催化劑失效機(jī)制的理解，為設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性O(shè)RR催化劑奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

圖 | 催化劑合成與電化學(xué)性能

相關(guān)研究成果以"Degradation of FeNC Electrocatalysts for Acidic and Alkaline Oxygen Reduction"為題，發(fā)表于Journal of the American Chemical Society上。中國科學(xué)院物理研究所陳瑋偉和西安交通大學(xué)秦棪陽為共同第一作者，中國科學(xué)院物理研究所蘇東研究員、西安交通大學(xué)蘇亞瓊教授與北京航空航天大學(xué)水江瀾教授為通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及陜西省化生基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目的支持。

編輯：東君