為了實現全球碳中和及緩解能源危機，需要開發出能代替傳統化石能源的清潔可再生能源。然而，由于可再生能源固有的不穩定性，迫切需要一個高效的能源存儲策略來克服上述問題。

最近，質子交換膜燃料電池(PEMFCs)作為一種有前途的能量轉換裝置而引起人們廣泛關注。然而，質子交換膜燃料電池需要大量的鉑族金屬(PGM)催化劑來克服氧還原反應(ORR)動力學的緩慢，Pt金屬高昂的價格和稀缺性限制了其大規模應用。因此，開發不含PGM的催化劑對于加速PEMFC的實際應用具有重要意義。

近日，名古屋大學Yusuke Yamauchi、華東師范大學韓布興、Xia Wei和南京航空航天大學何建平等報道了一種通過螯合劑輔助選擇性刻蝕來構建金屬有機骨架開孔結構的方法。

具體而言，研究人員選用同時含有S和O元素的二甲酚橙(XO)作為螯合劑，通過與酸性刻蝕劑中的質子結合，在初始階段保持較低的初始質子濃度，從而實現對極性晶面的選擇性刻蝕。同時，刻蝕過程中在前驅體上引入S和O元素，制備出高效的ORR催化劑(開孔Fe原子錨定N，S共摻雜碳，OP-Fe-NC)。最重要的是，明確的開孔結構和清晰的形態結構為構建有限元模擬模型提供了基礎，有助于深入研究結構與氧氣擴散濃度的關系。

性能測試結果顯示，OP-Fe-NC催化劑在酸性介質中表現出0.89 V的半波電位(E_1/2)，比商業Pt/C催化劑高20 mV，是以前報道的非PGM催化劑中的最高水平。此外，在MEA內，OP-Fe-NC在0.9 V時(無iR補償)產生29 mA cm^-2的電流密度。

有限元模擬結果表明，開孔結構作為一個相互連接的通道，有效地降低了O₂在膜電極內的輸運阻力。密度泛函理論(DFT)計算進一步表明，S和O原子的摻雜降低了ORR反應的能壘，同時軸向O配位和周圍的S原子調節了Fe-N₄位點的電子結構，優化了反應物中間體的吸附，最終導致ORR反應活性顯著提高。

綜上，該項工作證明顯示出開孔結構和高活性的OP-Fe-NC在燃料電池應用中的潛力，也為新型儲能轉換裝置提供了一種新的合成方法和催化劑設計思路。

Selective etching of metal–organic frameworks for open porous structures: Mass-efficient catalysts with enhanced oxygen reduction reaction for fuel cells. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c05544