燃料電池超越了傳統熱機的局限性，提供了一種更高效、更環境友善的方式來產生清潔電力。與陽極氫氧化反應相比，燃料電池的陰極反應(氧還原反應(ORR))的動力學緩慢，這極大地限制了燃料電池的整體效率。鉑族金屬(PGMs)對ORR表現出良好的催化性能，但其高昂的成本和稀缺性限制了它們的廣泛應用。碳基單金屬原子催化劑，即M-N-C型催化劑，在陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)中表現出優異的性能。然而，由于不可控的熱解制備過程，目前合成的M-N-C催化劑經常表現出不均勻的配位結構，增加了后續機理研究的難度。
此外，為了保證M-N-C型催化劑中金屬中心的孤立狀態，需要降低原子中心密度，這增加了傳質阻力，大大降低了這些催化劑在燃料電池中的性能。因此，開發具有明確活性中心和高活性中心密度的催化劑是一項重要而具有挑戰性的工作。
近日，北京化工大學孫曉明、田書博和莊仲濱等報道了具有明確的活性中心和高中心密度的Co(CN)3微晶，解決了傳統M-N-C催化劑中存在的問題。具體而言，研究人員采用濕化學法成功合成了立方體(Co(CN)3-Cub)和八面體(Co(CN)3-Oct)Co(CN)3微晶，并將其用作ORR催化劑。
SCXRD和基于同步輻射的XAS證實了Co(CN)3的孤立位性質，其中Co位由三個碳和三個氮配位，與傳統的碳質Co-N-C材料具有基本相同的配位環境；但由于氰化物陰離子尺寸較小，所以Co(CN)3位點密度遠高于傳統的Co-N-C。
研究人員還研究了Co的配位數與性能的關系：具有五配位Co位點的Co(CN)3-Cub顯示出0.90 VRHE的ORR半波電位(E1/2)顯著超過Co(CN)3-Oct，并且它們的E1/2在10000次循環后分別下降約20和35 mV，表現出優異的穩定性。同時，由于Co(CN)3催化劑具有較高的活性、穩定性和中心密度，以Co(CN)3-Cub作為陰極組件的AEMFC，峰值功率密度高達1.67 W cm-2。
此外，機理研究表明，通過調節配位數來調節Co(CN)3-Cub和Co(CN)3-Oct的d帶中心，減弱了*OH吸附能以提高ORR性能。總的來說，該項工作不僅證明了Co(CN)3微晶在燃料電池中的應用前景，而且具有明確的配位點Co(CN)3晶體還為研究結構-性質關系提供了參考體系。
Co(CN)3 catalysts with well-defined coordination structure for the oxygen reduction reaction. Nature Catalysis, 2023. DOI: 10.1038/s41929-023-01047-7
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