燃料电池(FC)是一种环境友好、能量密度高、燃料来源丰富、能量转换效率高的新能源技术。其中，动力学过程缓慢的氧气还原反应(ORR)作为FC的阴极反应,是极其重要的。目前，基于铂(Pt)及其合金的催化剂仍然是催化阴极ORR最为有效的电催化剂，然而，Pt昂贵的价格和匮乏的储量限制了FC的商业化发展，设计高性能的非贵金属电催化剂取代铂用于氧还原反应(ORR)是燃料电池技术发展的关键挑战。近日，康奈尔大学的Héctor D. Abruña课题组对碱性燃料电池氧还原反应中15种AB₂O₄/C八面体尖晶石电催化剂进行了系统研究，利用扫描透射电子显微镜(STEM)可以提供原子尺度、空间分辨率的图像，高能量分辨率的电子损耗近边缘结构(ELNES)可以探测活性位点周围的局部化学环境。反应活性最高的ORR电催化剂为MnCo₂O₄/C、CoMn₂O₄/C和CoFe₂O₄/C，特别是CoMnO/C可以与Pt/C的ORR活性和选择性相媲美，在1 M KOH中，CoMn₂O₄/C表现出0.89 V的半波电势，X射线吸收光谱证明这归因于Co和Mn之间的电荷转移。活性最强的MnCo₂O₄/C具有独特的Co-Mn核-壳结构，ELNES谱表明，核内Co以Co^2.7+为主，壳内Co以Co²⁺为主，壳层中的Co主要占据四面体位点，可能是ORR的活性位点。该工作结合先进的电子显微镜和光谱学，使高活性的纳米催化剂的设计达到前所未有的原子级精度，探索了纳米级的非均质电子结构，对碱性燃料电池电催化剂的设计具有重要的借鉴意义。

Yao Yang, Yin Xiong, Megan E. Holtz, Xinran Feng, Rui Zeng, Gary Chen, Francis J. DiSalvo, David A. Muller, Héctor D. Abruña. Octahedral spinel electrocatalysts for alkaline fuel cells. PNAS, 2019.

DOI: 10.1073/pnas.1906570116

https://doi.org/10.1073/pnas.1906570116