发表机构：中国科学院过程工程研究所
作 者：王丹，张锁江（通讯作者）
质子交换膜燃料电池（PEMFC）被誉为“氢气的充电宝”，具有高效率、快启动、零排放等优势，在交通、便携式电源和固定式发电等领域具有应用潜力。目前，PEMFC的催化剂多为铂（Pt）等贵金属，储量有限、价格高昂，严重制约了PEMFC的规模化生产。铁/氮-碳（Fe/N-C）材料因成本低、活性较高，被视为PEMFC中贵金属催化剂的有力替代者，但由于含氧化合物反应中间体的强吸附作用，以及芬顿反应导致的铁物种脱金属现象，其活性和耐用性仍无法满足性能标准。针对这一难题，研究团队创新性地设计合成了二维碳层上具有大量纳米Fe/N-C HoMS的三维催化剂CS Fe/N-C。
该纳米催化剂Fe/N-C HoMS直径约10?nm，高约4?nm，约有五个壳层。该催化剂由大量分散在二维碳层上的纳米凸起组成，其中单铁原子位点主要嵌入纳米凸起的内弯曲表面。纳米凸起的石墨化外碳层不仅能有效削弱含氧化合物反应中间体的结合强度，还能降低羟基自由基的生成速率。在5 cm2单电池测试中，该催化剂展现出目前报道的最优综合性能：在1.0 bar H2-air条件下，峰值功率密度达0.75 W cm-2；经303小时恒压运行后，仍保持86%的初始电流。该研究构建了可叠加、模块化的单原子催化剂设计思路，通过“内层催化位点+外层防护促脱”协同优化吸附-反应-促脱防护三要素，使非贵金属催化剂在PEMFC中具有优异性能，为未来高性能燃料电池催化剂设计提供了新范式。
发表日期：2025-8-13
