具有以碳为载体，N配位的的单一Fe位点材料（Fe-N-C）由于具有良好的催化活性和稳定性，是目前最有前途的无铂族金属氧还原反应阴极催化剂。然而，目前的Fe-N-C催化剂是由分子筛咪唑骨架-8(ZIF-8)纳米晶前驱体经高温热活化而得到的，大部分活性中心被埋在块状碳纳米颗粒中，因此存在低可及Fe位点的问题。这种形态限制显著地缓解了产生有效活性中心的关键三相界面，这需要足够的离聚体覆盖来传导质子，从而抑制质子交换膜燃料电池电极内反应物(即O2)的传质。

基于此，纽约州立大学布法罗分校武刚教授，上海交通大学Xiaodong Zhuang通过碳化−核-壳复合前驱体，成功制备了一种独特的Fe-N-C核-壳催化剂。

文章要点

1）Fe-N-C核-壳催化剂的核是来自沸石咪唑骨架-8的N掺杂的多孔碳多面体。壳层是铁(III)四苯基卟啉氯化物形成的共轭微孔聚合物。在高温热活化过程中，聚合物壳层发生分解和重新排列，在碳核表面形成一层富含Fe原子的Fe−N−C层。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，制备的催化剂中铁的浅分布含量高达2.32 at%。

2）这种Fe−N−C催化剂表现出前所未有的膜电极组件性能，在0.9 V_iR-free（1.0 bar H₂−O₂和80 °C）下获得了32 mA cm⁻²的电流密度，最大功率密度为0.43W cm⁻²（1.0 bar H2−空气和80 °C）。

这一策略为合成Fe-N-C和其他金属(M)-N-C催化剂提供了有益的启示，这些催化剂在表层具有丰富的金属催化中心，能够高效地催化各种高活性和高传质的电化学反应。

参考文献

Jinhui Zhu, et al, Core−Shell Structured Fe−N−C Catalysts with Enriched Iron Sites in Surface Layers for Proton-Exchange Membrane Fuel Cells, ACS Catal. 2022

DOI: 10.1021/acscatal.2c01358

https://doi.org/10.1021/acscatal.2c01358