N-XVA偶极Fe-N-C催化剂

酸性ORR超Pt/C

通过N-XVA偶极工程调控Fe单原子3d轨道，优化OH*结合能，使酸性氧还原活性与稳定性同时超越商业Pt/C。

陈阳 · 柳博 · Zhang, Yunlong · Zhao, Zigang · Dai, Yunkun · Zhang, Ziyu · 张文超 · Guo, Pan · 刘冰 · Shen, Lixiao · 赵磊 · 王振波

Angewandte Chemie - International Edition 2025

具体参数

半波电位

{'zh': '0.833', 'en': '0.833'} V

加速耐久性测试衰减

{'zh': '18', 'en': '18'} mV

PEMFC功率密度(H2-O2)

{'zh': '1.1', 'en': '1.1'} W cm-2

PEMFC功率密度(H2-air)

{'zh': '0.6', 'en': '0.6'} W cm-2

技术优势

OH*结合能对准火山图顶点

通过N-XVA偶极工程，Fe的3d轨道重排，OH*中间体结合能得到优化，接近火山图峰值，从而提升ORR催化活性。

酸性介质中稳定性超Pt/C

在酸性介质中，FeN4-Sb/C经30000圈加速耐久性测试后半波电位仅衰减18 mV，稳定性优于商业Pt/C。

PEMFC功率密度接近当前最高

组装的PEMFC在H2-O2条件下功率密度达1.1 W cm-2，H2-air下为0.6 W cm-2，超越几乎所有近期报道的单原子和双原子催化剂。

应用场景

• 酸性燃料电池催化剂：替代Pt/C，降低催化层成本同时保持高活性和稳定性。
• 质子交换膜燃料电池：直接作为膜电极阴极催化剂，实测功率密度超过多数同类单原子催化剂。
• 金属-空气电池：酸性ORR活性与稳定性为金属-空气电池空气电极提供非贵金属选择。
• 单原子催化：通过N-XVA偶极调控单原子电子结构，为单原子催化设计提供通用策略。