解决化石能源和环境危机是开发新能源技术的动力。低温氢-空气质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将氢能转化为电能的技术。为了在电极上催化氧还原反应（ORR）和氢氧化反应，PEMFC主要依赖于基于铂族金属（PGMs）的催化剂。由于稀有而昂贵的贵金属，取代PGMs的研究已经催生了一类仿生催化剂（MNC）用于碳掺杂金属和氮。到目前为止，Fe、Co和Mn是在酸性反应环境中具有优异ORR活性的金属-N_X部分的三种金属。事实上，大量关于热解FeNC和C_oNC材料的实验研究表明，金属-N₄位是在酸中催化ORR的最活跃的活性中心。

近日，德国柏林工o业大学Peter Strasse，法国蒙彼利埃大学Frédéric Jaouen，丹麦哥本哈根大学Jan Rossmeisl报道了一种p-嵌段单金属中心SnNC催化剂，其在酸性环境中表现出催化ORR反应活性，达到并超过了目前所报道的最先进的无PGM催化剂，同时也潜在地增加了催化剂的稳定性。

文章要点

1）研究人员采用聚苯胺和金属前体混合物的苯胺聚合和热解，然后进行多个酸浸出步骤等过程，合成出SnNC催化剂。此外，采用类似的制备路线制备包含原子分散的FeN_x位的FeNC催化剂，用作基准。

2）研究人员采用高分辨扫描透射电子显微镜（STEM）结合电子能量损失谱（EELS）、扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）、X射线光电子能谱（XPS）和¹¹⁹Sn穆斯堡尔谱（¹¹⁹Sn Mössbauer）表征了SnNC催化剂表面具有催化活性的单金属SnN_x活性位，并辅之以密度泛函理论(DFT)计算。研究发现，绝大多数Sn原子是原子分散的，并与氮原子紧密结合，而Sn在第一配位球面内的平均配位数为3.9（氮或碳原子），在平面上的平均配位数为1.0（氧配体）。同时存在锡和锡两种物种，后者主要归属于表面Sn(Iv)N_x部分。

3）实验结果显示，SnN_x位点的平均ORR周转频率（TOF）接近十年前确定的最活跃的不含PGM，即FeN_x，并且显著高于迄今第二活跃的不含PGM，即CoN_x。

4）开发的SnNC阴极催化剂在实际PEMFC中的性能超过了以其他类似方式制备的FeNC参照催化剂。

5）理论研究表明，p-嵌段SnN_x位打破了通常的吸附活性氧中间体化学吸附强度之间的线性关系，与传统的d-嵌段M-N_x部分（M=Fe，Co，Ni，Cu）形成鲜明对比。这使得SnNC催化剂有别于所有先前描述的d-嵌段催化剂，并且与观察到的对SnN_x活性中心完全氧还原的高化学选择性有关。

Fang Luo, et al, P-block single-metal-site tin/nitrogen-doped carbon fuel cell cathode catalyst for oxygen reduction reaction, Nat. Mater. (2020)

DOI：10.1038/s41563-020-0717-5

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0717-5