王博/杨文秀JACS：Al的p-d杂化促进Fe原子位点催化性能！

研究内容

轨道杂化调节过渡金属的电子结构和表面化学吸附性质对于促进质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中的氧还原反应(ORR)具有重要意义。

北京理工大学王博和杨文秀开发了一种核-壳红毛丹类纳米碳(FeAl-RNC)催化剂，该催化剂具有来自金属-有机框架(MOF)材料的原子分散的Fe-Al原子对。结果显示，基于FeAl-RNC的PEMFCs在H 2 -O 2 条件下，在0.7 V下100小时后，实现了优异的活性(在0.9 V下为68.4 mA cm -2 )、高峰值功率(1.05 W cm -2 )。相关工作以“Efficient Proton-exchange Membrane Fuel Cell Performance of Atomic Fe Sites via p-d Hybridization with Al Dopants”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者设计了基于金属有机骨架(MOF)材料衍生的负载在核-壳红毛丹类纳米碳催化剂(FeAl-RNC)上的Fe-Al原子对。其中，p区Al调节剂可以导致不对称的电子分布和优化的氧中间解吸强度，从而增强ORR活性。此外，O 2 转移电阻的测量和弛豫时间分布(DRT)分析证明，FeAl-RNC的核-壳类红毛丹结构可以降低PEMFCs中的O 2 /质子转移电阻。

要点2.FeAl-RNC催化剂作为正极提供了优异的H 2 -O 2 PEMFCs性能，峰值功率为1.05 W cm -2 ，在0.9 V时的动能为68.4 mA cm -2 。超过了美国能源部2025年的目标(DOE，44 mA cm -2 @0.9 V)。此外，FeAl-RNC正极在H 2 -O 2 条件下，在0.7 V的电流损耗下，在运行100小时内也表现出高稳定性。

要点3.密度泛函理论（DFT）揭示了Fe-Al原子对周围的p-d轨道杂化导致对氧中间体具有中等吸附强度的不对称的极化电荷分布和良好调节的Fe d带中心，促进了ORR过程中OH*中间体的解吸。

研究图文

图1. FeAl-RNC的合成与表征。

图2. FeAl-RNC的化学环境和电子态。

图3. 燃料电池性能。

图4. p-d轨道杂交。

文献详情

Efficient Proton-exchange Membrane Fuel Cell Performance of Atomic Fe Sites via p-d Hybridization with Al Dopants

Yarong Liu, Jiaxin Li, Zunhang Lv, Haiyang Fan, Feilong Dong, Changli Wang, Xianchun Chen, Rui Liu, Chongao Tian, Xiao Feng, Wenxiu Yang,* Bo Wang*

J. Am. Chem. Soc.

DOI : https://doi.org/10.1021/jacs.4c01598

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