質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為一種可靠和有效的清潔能量轉(zhuǎn)換裝置。為了提高質(zhì)子交換膜燃料電池的性能，須使用貴金屬鉑(Pt)作為催化劑，以加速反應動力學。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的陽極氫氧化反應(HOR)速度較快，只需要少量的Pt，而陰極氧還原反應(ORR)速度較慢，需要較多的Pt才能獲得理想的性能。由于Pt的儲量稀少和高昂的成本，PEMFC的成本顯著增加，從而阻礙了其商業(yè)化。因此，開發(fā)超低Pt負載的陰極催化劑并實現(xiàn)Pt的有效利用和提高催化劑持久穩(wěn)定性對于推動PEMFC實際應用具有重要意義。

近日，廈門大學孫世剛、姜艷霞和重慶大學張斌偉等采用氣相沉積法制備了超低Pt負載量(0.64 wt%)的FeN₄-PtFe合金復合電催化劑(PtFe-FeNC)。其中，F(xiàn)eNC載體上的FeN₄位點能夠有效地錨定PtFe合金，從而抑制其在長期循環(huán)過程中的聚集。反過來，這些PtFe合金可以有效地抑制FeNC載體中FeN₄位點的浸出。

因此，PtFe-FeNC在0.9 V下對ORR反應表現(xiàn)出改善的Pt質(zhì)量活性(2.33 A mg_Pt^-1)，比商業(yè)Pt/C (0.18 A mg_Pt^-1)高12.9倍。同時，PtFe-FeNC催化劑還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過70000次循環(huán)后，Pt的質(zhì)量活性僅下降9.4%。

研究人員進一步將PtFe-FeNC裝入到膜電極組體的陰極中，其在0.9 V(無iR補償)時的質(zhì)量活性為1.75 A mg_Pt^-1，遠高于商業(yè)MEA (0.25 A mg_Pt^-1)；此外，這種PtFe-FeNC催化劑在H₂-O₂質(zhì)子交換膜燃料電池中表現(xiàn)出增強的穩(wěn)定性，在30000g個循環(huán)后峰值功率密度(P_max)為0.391 W cm^-2，僅發(fā)生12.5%的P_max衰減。

總的來說，該項研究強調(diào)了PtFe合金與FeN₄中心之間電子耦合的重要性，為提高應用于燃料電池的Fe/N/C催化劑的耐久性提供了一種有效的途徑。

FeN₄ active sites electronically coupled with PtFe alloys for ultralow Pt loading hybrid electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c08570