能源是我们生活中必不可少的部分，但随着能源消耗的总体增加，对环境造成了重大影响。氢经济在减少这种不良影响方面起着至关重要的作用，因为氢易于生产，清洁和具有成本效益。低温聚合物电解质燃料电池电动汽车（FCEV）已开始商业化，但仍然存在着与使用贵金属有关的问题，例如燃料电池中的金属铂。在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，阳极和阴极电极都需要铂基材料，以承受电池的苛刻酸性条件。在这方面，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）受到了广泛关注，因为从原理上讲，其碱性特性提供了用其他更便宜的材料代替铂基催化剂的机会。对于阳极氢氧化反应（HOR），即使在铂族金属（PGM）基催化剂的作用下，碱性介质中HOR的缓慢动力学也非常具有挑战性。对于阴极氧还原反应（ORR），而目前，使用基于PGM的催化剂可以达到高活性和合理的耐用性，目前的重点是用不含PGM的催化剂代替它们。

有鉴于此，以色列理工大学Dario R. Dekel和在塔尔图大学Kaido Tammeveski等人，制备了过渡金属和氮共掺杂碳化物衍生的碳/碳纳米管复合材料(M-N-CDC/CNT)，并对其进行了表征，作为阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)的阴极催化剂。

本文要点

1）以1,10-邻菲罗啉为N前驱体，通过简单高温热解技术掺杂金属和氮。物理化学表征表明，金属和氮掺杂非常成功，并且所有三种复合材料的形貌和组织性质都非常相似。采用旋转环盘电极法初步评价了M-N-CDC/CNT催化剂在碱性介质中的氧还原反应(ORR)活性，结果表明M-N-CDC/CNT催化剂在碱性介质中表现出良好的电催化性能。

2）ORR催化剂中HO₂^-的形成取决于特定的金属成分（Co，Fe或CoFe）。这三种材料都表现出优异的稳定性，在连续10000次电位循环后，其性能的下降可以忽略不计。M-N-CDC/CNT催化剂材料的良好性能归因于M-Nx和吡啶-N的存在以及微孔和介孔结构的存在。

3）另外，该催化剂在H₂/O₂ AEMFC中的原位测试中表现出出色的性能，CoFe-N-CDC/CNT在0.75 V时达到接近500 mA cm-2的电流密度，并且峰值功率密度（P_max）超过1 W cm^-2。在无H₂/CO₂的空气系统中，P_max达到0.8 W cm^–2，并且CoFe-N-CDC/CNT材料在两种AEMFC操作条件下均表现出良好的稳定性。

参考文献：

Jaana Lilloja et al. Transition-Metal- and Nitrogen-Doped Carbide-Derived Carbon/Carbon Nanotube Composites as Cathode Catalysts for Anion-Exchange Membrane Fuel Cells. ACS Catal., 2021.

DOI: 10.1021/acscatal.0c03511

https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03511