金属和氮配位的纳米碳（M-N/Cs）是用于电催化氧还原反应（ORR）中最有前途的非贵金属催化剂，但在单一催化剂中同时实现高本征活性、快速传质和有效利用活性中心仍具有挑战性。

近日，湖南大学费慧龙教授，叶龚兰，中国地质大学（武汉）葛文报道了结合自组装过程和高温金属刻蚀效应，设计了一种分散在多尺度多孔碳骨架上的边缘承载的Fe-N₃位点（称为eFe-N₃/PCF）的Fe-N/C ORR催化剂。

文章要点

1）骨架内互连大孔和碳纳米片上的面内中孔可以促进催化剂层中的质量传递，同时提高原子利用效率（约4倍）。此外，由于eFe-N₃/PCF中存在丰富的面内孔隙，eFe-N₃/PCF中的Fe-N_x位采用非配位的Fe-N₃构型，在原子级透射电子显微镜（TEM）直接观察到边缘面上的优先取向。

2）控制实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，与传统的基面Fe-N₄晶位相比，eFe-N₃/PCF中边缘晶格的Fe-N₃晶位具有更强的本征活性。

3）实验结果显示，当在0.1 M KOH中用旋转圆盘电极进行测试时，eFe-N₃/PCF表现出出色的ORR活性，起始电位（E_onset）为1.090 V（vs. 可逆氢电极），半波电位（E_1/2）为0.934 V（vs. 可逆氢电极）和大电流（在0.8 V时的J_k达到了4.8.8 mA cm^-2），优于商用Pt/C（E_onset 为0.950 V，E_1/2=0.845 V，J_k=5.89 mA cm^-2）和几乎所有已报道的M-N/C/ORR催化剂。

4）为了证明eFe-N3/PCF的多尺度孔隙率在提高传质效率方面的优势，研究人员制作了气体扩散电极（GDEs），并测试了其在三电极半电池和两电极锌-空气电池（ZAB）中的性能。测试结果表明，eFe-N₃/PCF能够在具有较低质量传输过电位的半电池中提供几乎高的电流密度（例如，在500 mA cm^-2时，过电位为47 mV，而对照样品为110 mV），并且在ZAB中表现出294 mW cm^-2的高峰值功率密度。

这项工作为设计高性能ORR电催化剂提供了机会，可应用于各种能源转换和储存技术。

参考文献

Liu et al., Edge-hosted Fe-N₃ sites on a multiscale porous carbon framework combining high intrinsic activity with efficient mass transport for oxygen reduction, Chem Catalysis (2021)

DOI：10.1016/j.checat.2021.09.012

https://doi.org/10.1016/j.checat.2021.09.012