開發陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）必須對高能非貴金屬基催化劑的電子構型和中間產物吸附行為進行研究，以解決正極氧還原反應（ORR）動力學緩慢的問題，但這仍然是一項巨大的挑戰。

在此，蘇州大學晏成林，南通大學錢濤等人報告了一種稀土金屬氧化物工程策略，即通過在摻雜 N,O 的碳納米球（Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNSs）中形成 Fe₃O4/La₂O₃ 異質結構來實現高效的氧還原電催化。計算表明，La─O─Fe 異質界面形成的界面鍵有效地優化了 Fe d 帶中心相對于費米級的電子結構，從而顯著降低了 ORR 過程中限速步驟的反應壁壘。

對中間產物化學吸附的調節使 Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNSs 具有出色的 ORR 性能和更高的穩定性，半波電位值（0.88 V）顯著提高。在實際的 AEMFC 工作條件下，該催化劑的功率密度高達 148.7 mW cm^-2，高于商用 Pt/C 耦合電極。

圖1. DFT計算

總之，該工作開發出了摻雜 N、O 碳納米球中的 Fe₃O₄/La₂O₃ 納米粒子，并將其設計為一種高效 ORR 電催化劑。實驗表明，La₂O₃ 的引入引起了鐵活性位點的顯著電子調制，使鐵的 d 帶中心下移到費米級，對氧相關中間產物具有適度的吸附行為，從而降低了反應能壘，提高了整個 ORR 過程的內在活性。同時，多孔 N,O-CNS 的 0D 多孔納米球結構和高比表面積有利于在碳基體充分暴露更多的活性位點，有利于縮短電子和質量傳輸路徑。

因此，Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNS 具有出色的 ORR 性能（半波電位為 0.88 V）和耐久性。相應地，Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNS 電極使 AEMFCs 達到了 148.7 mW cm^-2 的峰值功率密度和長達 100 h 的出色循環穩定性。因此，該工作可以促進高催化性和高穩定性的稀土金屬氧化物改性 Fe-N-C 催化劑的開發，使其在 AEMFCs 中得到實際應用。

圖2. 電化學性能

Tailoring the Chemisorption Manner of Fe d-Band Center with La2O3 for Enhanced Oxygen Reduction in Anion Exchange Membrane Fuel Cells, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202309886