金属-氮-碳(M-N-C)催化剂替代稀有昂贵的铂(Pt)用于质子交换膜燃料电池的氧还原反应，由于活性位点密度低和位点利用率低，M-N-C氧还原反应活性较低。

有鉴于此，美国东北大学的Qingying Jia、蒙彼利埃大学的Frédéric Jaouen教授和阿贡国家实验室Deborah J. Myers等人，通过在 750 °C 下使氯化铁蒸汽流过 Zn-N-C 基材，通过实施化学气相沉积来合成 Fe-N-C，从而克服这些限制，导致 Zn-N₄ 位点在高温下转化为Fe-N₄ 位点。

本文要点

1）为了获得具有高密度Zn-N₄位点的Zn-N-C材料，首先制备了具有约 80 nm 均匀尺寸的沸石咪唑骨架（ZIF-8）纳米晶体。采用了化学气相沉积 (CVD) 合成策略，使氯化铁蒸汽流通过 Zn-N-C 材料，以优先形成具有自我优化 Fe 含量的可及的 Fe-N₄ 位点。

2）通过多种技术表征表明，通过这种方法形成的所有Fe-N₄位点都是气相和电化学可及的。结果表明，Fe-N-C催化剂的活性位密度为1.92 × 10²⁰位点/克，活性位利用率为100%。

3）该催化剂提供了前所未有的氧还原反应活性，在 1.0 bar 和 80 °C 的 H₂-O₂ 质子交换膜燃料电池中，在 0.90 V（iR 校正；i，电流；R，电阻）下实现了 33 mA cm^-2，在 0.89 V（iR 校正）下表现出 44 mA cm^-2 的 ORR 活性，仅比 DOE 2025 目标低 0.01 V。

参考文献：

Jiao, L., Li, J., Richard, L.L. et al. Chemical vapour deposition of Fe–N–C oxygen reduction catalysts with full utilization of dense Fe–N₄ sites. Nat. Mater. (2021).

DOI: 10.1038/s41563-021-01030-2

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01030-2