近日，昆明理工大学化学工程学院冯东博士、李金成副教授、梅毅教授与香港科技大学邵敏华教授合作，在高性能非贵金属燃料电池催化剂研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Meso/Microporous Single-Atom Catalysts with Curved Fe-N4 sites Boost the Oxygen Reduction Reaction Activity”为题发表在化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上。
针对燃料电池规模化应用面临的铂贵金属催化剂成本高、活性和耐久性不足等关键瓶颈问题，单原子Fe-N/C材料被认为是当前最有发展前景的非贵金属燃料电池催化剂，其活性位点为平面Fe-N4配位结构。金属有机框架ZIF-8材料的配位结构与Fe-N/C的活性位点高度相似，因此被认为是合成高活性Fe-N/C材料的最有效前驱体。然而，目前ZIF-8衍生的Fe-N/C催化剂主要为微孔材料，导致其在燃料电池中的传质受到限制，影响了电池性能。此外，平面Fe-N4配位结构的本征活性仍需进一步提升。
基于此，磷化工团队提出了一种ZnO辅助策略，通过棒状ZnO水解产生的Zn2+与2-甲基咪唑之间的自组装反应，制备氯化血红素修饰的ZIF-8薄膜，随后通过热解获得中空管状Fe-N/C材料（FeSA-N/TC）。该材料的管壁富含层次介孔和微孔，且Fe-N4活性位点被锚定在小尺寸的纳米孔内部，形成弯曲应力，从而提升其本征催化活性。因此，FeSA-N/TC在氧还原反应中表现出优异的性能，在碱性条件下半波电位可达0.925 V，在酸性介质中可达0.825 V。作为阴极催化剂应用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和锌空气电池（ZAB），其电池功率密度也表现出极高的值（氢氧PEMFC：1100 mW cm-2，氢空气PEMFC：715 mW cm-2，液态ZAB：228 mW cm-2，固态ZAB：112 mW cm-2）。此外，利用原位变温高能XRD和DFT理论计算揭示了催化剂的合成机制及其电催化氧还原反应的机理。本研究为能源器件中高性能催化剂的设计、制备及其催化机制的研究提供了新的指导。
FeSA-N/TC催化剂的制备示意图及结构表征
论文的第一作者为昆明理工大学化学工程学院2022级硕士研究生余颖，通讯作者为昆明理工大学化学工程学院冯东博士、李金成副教授和香港科技大学邵敏华教授。该研究工作得到了国家自然科学基金项目（52102046）、云南省优青（202301AW070016）、云南省应用基础研究基金项目（202201AU070113）及云南省磷化工节能与新型磷材料重点实验室的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202415691
（供稿：化学工程学院）