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聚合物電解質膜燃料電池(PEMFCs)和金屬-空氣電池(MABs)具有環境友好和能源轉換效率高的特點，在電動汽車和其他便攜式電子應用中具有巨大潛力。鉑基催化劑(Pt)具有最佳的氧中間體結合能，通常具有最高的氧還原反應(ORR)活性。

然而，有限的貴金屬資源阻礙了它們的大規模商業化。因此，開發高性能的非貴金屬催化劑(NPMC)是非常必要的。近年來，碳基材料(碳納米管、石墨烯、多孔碳材料等)、金屬硫族化合物/氧化物/氮化物/磷化物等因具有獨特的結構和電子特性而引起了極大的研究興趣，然而它們的本征催化性能與實際應用相差甚遠，這意味著對電子結構的調控是非常需要的。

到目前為止，單原子分散的Fe/N/C單原子催化劑(SACs)具有豐富的Fe位點，有望取代Pt成為優異的ORR催化劑。因此，如何制備出性能優異的Fe/N/C SACs是十分迫切的。

基于此，寧波工程學院魏啟亮、楊為佑以及寧波大學劉新才(共同通訊)等人通過微波輔助快速制備了高質量的Fe/N/C SACs，與傳統工藝相比，該策略大大提高了反應速率，并顯著降低了能耗。

本文通過調整Fe(NO₃)₃·9H₂O的含量(命名為Fe/N/C-MW-X mg)和不同的微波條件(Fe/N/C-MW-YW)制備出了一系列催化劑，并在0.1 M KOH電解液中對這些催化劑進行了性能測試。測試結果表明，當Fe(NO₃)₃·9H₂O的質量從60 mg增加到120 mg時，催化劑的半波電位(E_1/2)逐漸正移，這表明催化劑的活性位點數量不斷增加。然而，當Fe(NO₃)₃·9H₂O的含量進一步增加至150 mg時，催化劑的ORR活性會顯著降低，這可歸因于暴露的活性位點較少。

之后，本文還比較了不同微波功率下制備的Fe/N/C-MW-120 mg的ORR活性，從而確定440 W為制備催化劑的最佳條件。測試后發現，Fe/N/C-MW具有0.90 V的E_1/2，超過了商業Pt/C(E_1/2=0.83 V)和Fe/N/C-HT(傳統水熱處理得到的Fe/N/C催化劑)(E_1/2=0.87 V)。Fe/N/C-MW的ORR活性的提高歸因于Fe均勻摻雜而無集聚和具有高本征活性的FeN_x位點的比例增加。

根據ORR測試結果，本文進一步計算了Fe/N/C-MW和Fe/N/C-HT的電子轉移數和H₂O₂產率。令人印象深刻的是，在0.2 V到0.8 V的電壓范圍內，Fe/N/C-MW的H₂O₂產率保持在2%以下，證實了Fe/N/C-MW具有極高的ORR催化效率。

為了研究它們在直接甲醇燃料電池(DMFCs)中的潛在應用，本文還對其耐甲醇特性進行了評估。在計時安培測試中，當在1100 s左右加入甲醇時，由于FeN_x位點對甲醇分子的惰性，Fe/N/C-MW的電流保持不變。

相比之下，當甲醇存在時，20% Pt/C催化劑的電流明顯降低。因此，與20% Pt/C催化劑相比，Fe/N/C-MW復合材料對甲醇與ORR的競爭具有更好的耐受性。此外，為了評估催化劑的穩定性，本文在O₂飽和的0.1 M KOH溶液中進行了連續循環伏安測試，共9000次。

令人滿意的是，Pt/C催化劑活性的ORR性能在循環后表現出顯著的衰減，半波電位負移到一個更負的電位值。相反，Fe/N/C-MW催化劑在9000次循環測試中具有良好的穩定性，其半波電位僅損失了約27 mV，遠小于Fe/N/C-HT催化劑(38 mV)?？傊?，本文的研究結果可能為制備用于能量存儲和轉換的新型電催化劑提供一種新的策略。

Microwave-Assisted Synthesis of Highly Active Single-Atom Fe/N/C Catalysts for High-Performance Aqueous and Flexible All-Solid-State Zn-Air Batteries, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202300683.

https://doi.org/10.1002/smll.202300683.

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