铁单原子和氮共掺杂碳（Fe-N-C）电催化剂在催化动力学缓慢的氧还原反应(ORR)方面具有巨大的潜力，被认为是贵金属铂（Pt）的最有前途的替代催化剂。不幸的是，现有Fe-N-C催化剂的ORR性质受到FeN4部分的较差可及性和固有活性的显著阻碍。
近日，德累斯顿工业大学冯新亮教授，Thomas Heine，纽约州立大学布法罗分校武刚教授使用含氮多孔碳(NHPC)作为支架，通过铁离子锚定和随后的热解策略，在多孔碳上构建了密集暴露的表面FeN4（sur-FeN4-HPC）。
文章要点
1）具有丰富表面Fe锚定位点的NHPC的高表面积使得能够在sur-FeN4-HPC上成功制造密集可及的FeN4活性部分（34.7ⅹ1019 sites g-1）。第一性原理计算进一步表明，边缘效应可以调节单个Fe位点的电子结构，从而促进FeN4部分的固有ORR活性。
2）实验结果显示，在酸性介质中，sur-FeN4-HPC电催化剂表现出优异的ORR活性，具有0.83 V的高半波电位(相对于可逆氢电极)。研究人员进一步研究了sur-FeN4-HPC作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阴极催化剂。在1.0 bar O2下，膜电极组件在0.9 VIR(内阻补偿电压)下的电流密度为24.2 mA cm-2，在1.0 bar空气下的最大峰值功率密度为0.412 W cm-2。重要的是，该催化剂在恶劣的氢气和空气条件下表现出了良好的耐用性，可以在30000次电压循环中使用。sur-FeN4-HPC的PEMFC性能优于已报道的Fe-N-C电催化剂。
这种在sur-FeN4-HPC上构建高度可及且致密的表面FeN4位，为设计适用于不同电化学过程的高性能电催化剂提供了一条有效途径。
参考文献
Guangbo Chen, et al, Highly Accessible and Dense Surface Single Metal FeN4 Active Sites for Promoting Oxygen Reduction, Energy Environ. Sci., 2022
DOI: 10.1039/D2EE00542E
https://doi.org/10.1039/D2EE00542E
