开发富Fe位点的Fe单原子催化剂（Fe SACs）是提高质子交换膜燃料电池（PEMFCs）氧还原反应（ORR）效率的关键一步。作为一种代表性MOF，Zn₄O(1,4-benzenedicarboxylate)₃（MOF-5）具有三维立方通道结构和超高的比表面积（>3000 m² g^-1）。这些基本特征赋予了MOF-5衍生的碳（C-MOF-5）超高的比表面积和丰富的微/中孔，从而使C-MOF-5成为一种有希望的载体，以承载高度可及的FeN_x活性中心。

有鉴于此，中科院理化技术研究所张铁锐研究员，Lu Shang报道了采用配体介导法制备了C-MOF-5负载的FeSACs（Fe SAC-MOF-5），并在转盘电极(RDE)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)条件下对其ORR电催化性能进行了评价。

文章要点

1）研究人员首先合成MOF-5前驱体，然后在1100 °C、N₂气流下裂解生成多孔炭载体C-MOF-5。将得到的C-MOF-5与Fe(II)-邻菲咯啉配合物([Fe(Phen)₃]²⁺)均匀混合，冷冻干燥。将得到的粉末混合物在800 °C、N₂气氛下加热1 h，然后在NH₃气氛下再加热15 min，得到Fe SAC-MOF-5。

2）C-MOF-5具有优异的分级孔隙率，具有2751m2g-1的超高比表面积，因此可以容纳承载的FeN_x位点，从而使Fe含量高达2.35 wt%，均匀分散在碳载体上。此外，丰富的中孔（>2 nm）为C-MOF-5提供了1651 m² g^-1的高外表面积，有利于有效的传质，使FeN_x活性位点完全暴露在ORR相关物种中。

3）实验结果表明，Fe SAC-MOF-5在0.5 M H₂SO₄中的半波电位（E_1/2）为0.83 V（vs. RHE）。性能超过了用相同的合成工艺制备的其他碳载体负载的Fe SAC，是迄今为止活性最高的不含PGM的催化剂之一。进一步在0.2 MPa的H₂-O₂质子交换膜燃料电池中使用Fe SAC-MOF-5作为阴极催化剂时，峰值功率密度达到0.84 W cm^-2。

这一工作有望启发更多具有超高比表面积的MOF前驱体衍生的金属单原子催化剂的合理设计，以提高质子交换膜燃料电池的ORR性能。

参考文献

Xiaoying Xie, et al, Fe Single-Atom Catalysts on MOF-5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202102688

https://doi.org/10.1002/aenm.202102688