质子交换膜燃料电池具有零排放、能量效率高、功率可调等优点，是未来电动汽车中最理想的驱动电源，具有广阔的市场前景。但是质子交换膜燃料电池的阴极端氧还原反应的动力学十分缓慢，需要使用大量贵金属铂纳米催化剂作为电极催化剂来维持质子交换膜燃料电池的高效运转，这使得质子交换膜燃料电池的成本十分高昂，限制了其大规模商业化应用。迫切需要解决质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术（尤其是运输应用）的高成本问题，这推动了同时具有高活性和耐用性的无铂族金属(PGM-free)催化剂和电极的发展。在过去的十年中，研究人员在探索用于氧还原反应(ORR)的不含PGM阴极催化剂以克服动力学缓慢和催化剂在酸中的不稳定性问题方面取得了显著的进展。而且，科学家们还确定了新兴的原子分散过渡金属（M：Fe，Co或/和Mn）和氮共掺杂碳（M–N–C）催化剂是PGM催化剂的最有希望的替代品。

有鉴于此，美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授等人，从催化剂活性，稳定性和膜电极组件（MEA）性能方面全面综述了燃料电池用原子分散金属-氮-碳催化剂的进展，并分析了尚存的挑战以及未来的发展方向。

本文要点

1）各种新颖的合成策略在提高催化剂的内在活性、增加活性位点密度和获得最佳的多孔结构等方面都显示出了有效性。合理设计单个金属MNx位点及其局部结构的配位环境对于增强内在活性的重要作用。增加活性位点密度依赖于限制单个金属位点迁移和聚集成金属团簇的新策略。相关的研究通过实验和理论的结合，提供了M-N-C催化剂在原子尺度上活性位点、纳米结构和催化活性性质之间的相互关系。

2）目前对的催化性能对MEA性能影响的认识有限。通过合理设计M-N-C催化剂的形貌特征，可以暴露更多的活性位点，实现离聚物的均匀分布，促进质量/质子的传输，从而提高电极的性能。

3）分析了MEA中M-N-C催化剂面临的挑战以及未来的发展方向。目前M-N-C催化剂面临的最大挑战是在MEAs中稳定性不佳，性能迅速下降。因此，进一步讨论了缓解催化剂和电极降解的实用方法和策略，这对于提高M–N–C催化剂在PEMFC技术中的可行性至关重要。

总之，该工作有助于促进燃料电池用原子分散金属-氮-碳催化剂的进一步发展。

参考文献：

Yanghua He et al. Atomically dispersed metal–nitrogen–carbon catalysts for fuel cells: advances in catalyst design, electrode performance, and durability improvement. Chem. Soc. Rev., 2020.

DOI: 10.1039/C9CS00903E

https://doi.org/10.1039/C9CS00903E