开发无铂族金属、高活性、高耐久性的质子交换膜燃料电池氧还原催化剂是一个巨大的挑战。

近日，美国太平洋西北国家实验室Yuyan Shao，华盛顿大学（圣路易斯）Vijay Ramani，纽约州立大学布法罗分校武刚教授报道了一种原子分散的Co和N共掺杂碳(Co-N-C)催化剂，它通过引入并保持高含量的CoN_x原子中心来提高在酸性环境中的ORR活性。活性与类似合成的Fe-N-C催化剂相当，但其耐久性提高了四倍。

文章要点

1）研究人员通过溶液合成的方法将配体螯合的CoN_x基团固定在ZIF-8的微孔中，从而提高单一Co位的密度，这与以往通过Co-Zn离子交换将Co掺杂到ZIF-8中的方法不同。充分利用了ZIF-8独特的碳氢网络，在单个Co原子之间起到了保护性屏障的作用，这降低了其流动性，避免了Co的团聚。通过高温热解，ZIF-8微孔中的CoNx部分直接转化为CoN_x中心。

2）广泛的物理表征表明，Co原子分散的密度很高，CoN_x的结构在本质上是类似于卟啉的CoN₄C₁₂。

3）在旋转环盘电极实验中，该催化剂比可逆氢电极具有0.82 V的半波电势(E_1/2)和0.022 mg cm⁻²负载量，在0.9 V_iR-free (内阻补偿电压)下的电流密度为0.022 A cm⁻²，在1.0 bar H₂/O₂燃料电池测试中的峰值功率密度为0.64 W cm⁻²，这是目前所报道的非铁M-N-C阴极最高的燃料电池活性。

4）研究发现，Co-N-C催化剂比用相同方法合成的Fe-N-C催化剂更耐用，这是由于Co离子在Fenton反应中的活性较低（从而降低了自由基形成速率和自由基对催化剂的攻击），并显著增强了Co-N-C的抗脱金属能力。此外，研究人员观察到，环境中氧气的存在显著增加了Fe–N–C的脱金属，这与理论模拟结果一致。

Xie, X., He, C., Li, B. et al. Performance enhancement and degradation mechanism identification of a single-atom Co–N–C catalyst for proton exchange membrane fuel cells. Nat Catal (2020).

DOI：10.1038/s41929-020-00546-1

https://doi.org/10.1038/s41929-020-00546-1