性能碾壓鉑基催化劑！新型Fe-N-C材料讓燃料電池“抗毒”又耐用

氫燃料電池是清潔能源領(lǐng)域的明星技術(shù)，但其核心反應(yīng)——氧還原反應(yīng)（ORR）依賴昂貴的鉑催化劑，且易被甲醇等雜質(zhì)“毒害”。近日，金陵理工學(xué)院與南京信息工程大學(xué)團(tuán)隊在《Frontiers in Energy》發(fā)表研究，開發(fā)出一種新型Fe-N-C催化劑（Fe-PD/PGO），其ORR半波電位達(dá)0.886 V（比鉑基催化劑高37 mV），甲醇耐受性更是遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料，為低成本、高穩(wěn)定燃料電池帶來突破。

鉑基催化劑為何“失寵”？

鉑催化劑雖性能優(yōu)異，但每克成本超千元，且易被燃料中的甲醇“黏住”活性位點，導(dǎo)致反應(yīng)效率驟降。近年來，科學(xué)家嘗試用鐵、氮共摻雜碳材料（Fe-N-C）替代鉑，但這類材料常面臨活性位點不足、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等難題，如同“拼圖少了關(guān)鍵一塊”。

雙氮源“打配合”：活性位點密度翻倍

研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地引入兩種氮源——氰基胍（DCDA）和聚苯胺（PANI），前者像“氮元素倉庫”提供高濃度氮原子，后者則像“結(jié)構(gòu)工程師”形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)。通過兩步高溫煅燒，最終合成的Fe-PD/PGO催化劑氮摻雜量達(dá)3.29%，比單氮源材料提升近一倍。電鏡圖像顯示，材料表面布滿2納米級孔隙，比表面積高達(dá)639.1 m2/g，相當(dāng)于每克材料鋪開一個籃球場大小的活性表面。

性能逆襲：半波電位領(lǐng)先，甲醇中毒“免疫”

在0.1 mol/L氫氧化鉀電解液中，F(xiàn)e-PD/PGO的ORR半波電位達(dá)到0.886 V（vs. RHE），比商業(yè)鉑基催化劑（0.849 V）提升37 mV，質(zhì)量活性更是其1.24倍。更驚艷的是，當(dāng)向電解液注入3 mol/L甲醇時，鉑基催化劑電流密度暴跌，而Fe-PD/PGO僅輕微波動。團(tuán)隊解釋稱，雙氮源形成的Fe-N?活性位點能快速切斷甲醇吸附，如同“自帶排毒過濾器”。

壽命挑戰(zhàn)鉑基：萬次循環(huán)衰減僅7 mV

傳統(tǒng)Fe-N-C催化劑常因活性位點脫落而“短命”，但Fe-PD/PGO在1萬次循環(huán)后，半波電位僅下降7 mV，電流保留率超95%。XPS分析表明，材料中吡啶氮（N-P）與石墨氮（N-G）的比例達(dá)0.84，這種高活性氮構(gòu)型如同“分子膠水”，將鐵原子牢牢錨定在碳骨架上，避免性能衰退。

產(chǎn)業(yè)化之路：從實驗室到生產(chǎn)線

研究團(tuán)隊采用“溶膠-凝膠法+可控煅燒”工藝，原料成本不足鉑基催化劑的1/10，且合成時間從傳統(tǒng)72小時縮短至24小時。目前，該材料已通過小規(guī)模試產(chǎn)，未來有望用于車載燃料電池和金屬空氣電池。不過，團(tuán)隊指出，材料中殘留的微量硅元素（約0.5%）可能影響長期穩(wěn)定性，需進(jìn)一步優(yōu)化蝕刻工藝。

這項研究不僅打破了鉑基催化劑的性能壟斷，更揭示了雙氮源協(xié)同設(shè)計的巨大潛力。隨著工藝迭代，燃料電池的“無鉑時代”或許不再遙遠(yuǎn)。