氮配位单金属中心电催化剂(Fe-N-C)由于可以不使用贵金属及其显著的催化活性，是质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极的有希望的替代品。然而，Fe-N-C电催化剂通常受到螯合中心Fe的脱金属作用的影响，因此容易发生结构变形而导致快速失活。此外，次近邻碳原子也是决定电催化剂稳定性的重要因素。
在高温热解条件下，由微孔材料热生成的Fe-N-C不可避免地会产生不稳定的非晶态缺陷碳。这些缺陷位点诱导ORR反应的两电子途径，从而导致产生大量的自由基，随后攻击电催化剂，导致快速电催化剂降解。因此，开发高稳定性的Fe-N-C电催化剂不仅需要调节Fe配位局部结构，而且需要提高碳载体的石墨化程度，这对于其实际应用至关重要。近日，中国科学院长春应化所邢巍、王颖、金钊和中国科学技术大学葛君杰等利用化学气相改性(CVM)法去除无定形碳和有缺陷的碳，以及修复缺陷结构，改善了FeN4的局部配位环境，从根本上提高电催化剂的耐久性。具体而言，在CVM过程中，活性位点由传统的FeN4结构转变为FeN2+N'2结构，该结构的形成较低，在热力学上具有稳定性；同时，FeN2+N'2结构的Fe-N键长较短，表现出较高的键能，导致使活性中心Fe离子不易解离，进一步提高了催化剂的耐久性。因此，所制备的Fe-NC-CVM电催化剂经过200000次加速老化测试(AST)后，ORR半波电位衰减可忽略不计。同时，基于Fe-N-CCVM的质子交换膜燃料电池(PEMFC)在0.9 V(无iR补偿)下的电流密度高达26 mA cm-2；在H2-空气模式和1 bar压力下，功率密度高达450 mW cm-2。此外，该PEMFC可以在0.67 V的电压下持续工作超过248小时，显示出巨大的实际应用潜力。总的来说，该项研究显著提高了电催化剂的耐久性，为今后设计和开发高稳定性非贵金属电催化剂提供了参考。Monosymmetric Fe-N4 sites enabling durable proton exchange membrane fuel cell cathode by chemical vapor modification. Nature Communications 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47817-0
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