Page 16 - 《精细化工》2023年第2期

·238· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

2.3 铁基合金 结果表明，催化剂在酸性介质中半波电位为
从应用角度考虑，催化剂寿命比活性更重要， 0.923 V，极限电流密度高于其他催化剂。在催化剂耐
Fe-N-C 催化剂在实际燃料电池中的应用受到稳定 久性测试前后的 LSV 曲线（图 5b）中，显示 Pt A@Fe SA-
性不足的阻碍，影响其使用寿命。为了使制备的催 N-C 经过 5000 次 CV 循环的加速耐久性实验后活性
化剂兼具高的电化学稳定性和氧还原活性，研究者 损失可忽略不计，插图说明催化剂在 0.75 V 附近有
设计合成第二金属掺杂铁基催化材料。 氧化还原峰，这表明该催化剂催化性能及稳定性良
HU 等 [25] 首次合成了氮掺杂碳包覆的双金属 好。Pt 合金纳米颗粒和单原子 Fe 活性位点之间的相
Fe 2 Mo 纳米颗粒（Fe 2Mo/NC），其能够作为一种高效 互作用增强了催化活性和耐久性，同时减少了 Pt 的
且超稳定的 ORR 电催化剂。与单金属 Fe-NC 及商业 用量。
Pt/C 催化剂相比，Fe 2Mo/NC 双金属催化剂的 ORR 催 HAN 等 [27] 设计并合成了 Fe-N 4 /Pt-N 4 @NC，它
化活性和耐久性显著提高。在 0.1 mol/L KOH 溶液与 具有 0.93 V 的超高半波电位，优于商业 Pt/C 催化剂
0.5 mol/L H 2SO 4 溶液中，ORR 的半波电位分别为 0.91 和已报道的大多数金属基单原子催化剂在碱性溶液
2
和 0.80 V，电流密度分别为 82.28 和 37.62 mA/cm ， 中的电催化 ORR 活性。在连续 10000 次 CV 循环后，
即使经过 10000 次 CV 循环，也基本没有活性损失， 半波电位仅衰减 8 mV，表明其具有持久的催化稳定
表明其具有出色的催化剂耐用性。 性。研究表明，邻近的 Pt 原子位点可调控催化剂电
AO 等 [26] 通过将有序金属间 Pt 合金纳米颗粒沉 子结构，优化氧中间体的吸附，降低 ORR 过电位，
积到具有 Fe-N-C 位点的 NC 上合成复合 ORR 催化 从而加速整个 ORR 动力学过程。GUO 等 [28] 通过球
剂 Pt A @Fe SA -N-C。在 O 2 饱和的 0.1 mol/L HClO 4 中 磨法将铁引入到 Co 掺杂的碳中，成功制备了一种
以 10 mV/s 的扫描速率和 1600 r/min 转速记录催化 高效的双功能 ORR 和 OER 电催化剂——FeCo-
剂的 LSV 曲线，见图 5a。 NPC，该催化剂半波电位为 0.79 V，商业 Pt/C 的半
波电位为 0.81 V，该催化剂表现出与 Pt/C 相当的
ORR 活性。4 h CV 循环后电流密度保持率 97%，而
商业 Pt/C 催化剂电流密度保持率降至 86%。球磨增
强了 FeCo 纳米颗粒和碳载体之间的相互作用，将
Fe 掺杂到 Co 基体系中形成合金化的 FeCo 纳米颗
粒，有助于增加吡啶-N 和金属-N 基团的比例。
HUANG 等 [29] 合成了具有 Fe-Mn 双重位点的 Fe-Mn-
N-C 双原子催化剂，基于 Fe-Mn-N-C 的质子交换膜
燃料电池（PEMFC）和碱性膜燃料电池（AEMFC）
2
表现出超高的功率密度，分别为 1.048 和 1.321 W/cm ，
几乎超过了所有基于非贵金属阴极催化剂的同类产
品。Fe-Mn-N-C 的优异性能主要归功于应变效应对电
子结构的优化、Fe-Mn 双重位点共同吸收•OOH 自由
–
基的氧物种抑制 2e 氧还原反应路径、超低的 H 2 O 2
产率和高分子孔隙结构。
铁基合金催化剂在碱性介质中 ORR 半波电位
多在 0.9 V 以上，如表 3 所示。

表 3 铁基合金催化剂在碱性介质中 ORR 活性
Table 3 ORR catalytic activity of iron-based alloy catalysts in
图5 不同催化剂在O 2 饱和的0.1 mol/L HClO 4 中以10 mV/s
alkaline media
扫速和 1600 r/min 转速下的 LSV 曲线（a）；Pt A @Fe SA -
铁基合金催化剂名称 半波电位/V
N-C 在耐久性测试前后的 LSV 曲线（b）（插图为扫 [25]
速为 200 mV/s 时的 CV 变化） [26] Fe 2Mo/NC 0.910
Fig. 5 LSV curves of different catalysts recorded at a scan Pt A@Fe SA-N-C [26] 0.923
rate 10 mV/s and a rotation rate of 1600 r/min in Fe-N 4/Pt-N 4@NC [27] 0.930
O 2 -saturated 0.1 mol/L HClO 4 (a); LSV curves of FeCo-NPC [28] 0.790
Pt A @Fe SA -N-C before and after durability test (b)
(The inset shows the CV variation at a scan rate of
200 mV/s) [26] 该类催化剂催化性能明显优于其他催化剂的原