赵川教授EES：Fe-N-C催化剂在质子交换膜燃料电池中的降解机理

开发质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的无铂（Pt）-催化剂对氢经济至关重要，虽然铁-氮-碳（Fe-N-C）催化剂是目前最有前途的非Pt-ORR替代品，但由于同时发生多种降解机制，其在PEMFC中的稳定性较差，很难理解。

基于此，新南威尔士大学赵川教授等人报道了使用先进的电化学方法，如弛豫时间分布，在高负载量（1 A cm^-2）下，在PEMFC中对这些机制进行了60 h的反卷积。首先，高达75%的Fe-N-C活性位点通过Fe的金属分解变得不活跃，最初导致了电压损失（＜10 h）。然后，碳腐蚀种类增加了5倍，催化剂层中质子传递动力学降低了4倍，使得到达催化位点的气体、离子和电子途径延长，氧还原反应（ORR）速率降低了3倍，成为主要的降解机制。

Fe-N-C催化剂在PEMFCs中的降解如下：随着负载的施加，Fe基活性位点被迅速去金属化，几小时后仍有25%的活性位点残留。脱金属的Fe³⁺离子可能聚集成电化学活性的氧化铁纳米颗粒，从而减少电化学表面积或溶解在水中。这些会导致第一次电压衰减，因为高活性催化位点难以接近并减慢ORR。这种ORR率的衰减也与在Fe-N-C催化剂中存在两个具有不同电化学活性和热力学稳定性水平的Fe-N-C位点相一致。

具体而言，高活性但热力学不稳定的S1位点（Fe^IIN₄C₁₀）和更稳定但活性较低的S2位点（Fe^IIIN₄C₁₂）的存在高电位下的降解会导致两个位点的优势转移，这与这里观察到的动力学速率变化一致，因为S2位点（Fe^IIIN₄C₁₂）在热力学上比S1位点（Fe^IIN₄C₁₀）更稳定，但活性更低。

因此需要进一步的⁵⁷Fe Mossbauer谱分析来进一步了解本研究中Fe-N-C催化剂的高负荷降解机制。然后，碳腐蚀导致电极坍塌，从而削弱催化剂纳米粒子/离聚体的相互作用，并降低导电性。通过更高的产热使电池脱水并阻碍质子传输，同时游离Fe³⁺离子污染离聚体，降低质子转移动力学。

Operando Deconvolution of The Degradation Mechanisms of Iron-Nitrogen-Carbon Catalysts in Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Energy Environ. Sci., 2023, DOI: https://doi.org/10.1039/D3EE01166F.

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赵川教授EES：Fe-N-C催化剂在质子交换膜燃料电池中的降解机理

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