揭示铁氮碳电催化剂酸碱差异性降解行为与机理 | 进展

燃料电池作为一种高效、清洁的电化学能源转换技术，可将燃料的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、环境污染小等优点，是未来能源体系的重要组成部分。然而，其商业化应用受到阴极氧还原反应（ORR）动力学的严重制约。目前广泛使用的铂基催化剂成本高昂、资源稀缺，开发低成本、高性能的非贵金属替代材料成为当前研究的热点。近年来，铁-氮-碳（FeNC）单原子催化剂因其高活性和原子级分散的特性受到广泛关注，展现出替代铂基催化剂的潜力。然而，该类催化剂在实际应用环境中稳定性不足，特别是在不同pH条件下表现出显著的性能差异，其背后的机理尚不明确，严重制约了其实际应用。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心苏东研究员团队与西安交通大学苏亚琼教授、北京航空航天大学水江澜教授等合作，通过多种先进原位表征技术与理论计算相结合，在原子尺度上系统揭示了FeNC催化剂在酸性和碱性环境中的差异化降解机制。研究团队创新性地设计了"交叉环境测试"方法，发现催化剂在酸性环境中降解后，在碱性条件下仍能保持优异活性，反之亦然，表明不同pH环境中的失活路径存在本质差异。

通过综合运用准原位电镜、电子能量损失谱和穆斯堡尔谱等分析手段，研究团队明确了降解机制的关键差异：酸性条件下以铁活性位点（特别是S1类型）的溶出为主；而碱性条件下则以碳载体腐蚀为主导，导致材料长程有序性下降。理论计算进一步从机理上阐明，酸性环境中铁中心为主要活性位点，而碱性环境中羟基吸附使铁位点钝化，邻近碳原子成为活性主导。基于上述认识，研究团队通过前驱体工艺调控，验证了"铁中心主导酸性稳定性、碳基底决定碱性耐久性"的设计策略，为针对不同燃料电池环境开发高性能FeNC催化剂提供了新思路。该研究深化了对非贵金属催化剂失效机制的理解，为设计高稳定性ORR催化剂奠定了科学基础。

图 | 催化剂合成与电化学性能

相关研究成果以"Degradation of FeNC Electrocatalysts for Acidic and Alkaline Oxygen Reduction"为题，发表于Journal of the American Chemical Society上。中国科学院物理研究所陈玮伟和西安交通大学秦棪阳为共同第一作者，中国科学院物理研究所苏东研究员、西安交通大学苏亚琼教授与北京航空航天大学水江澜教授为通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、陕西省重点研发计划以及陕西省化生基础科学研究项目的支持。

编辑：东君