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原子分散（或单原子）的Fe-N-C催化剂作为质子交换膜燃料电池的阴极材料，有望替代分散在碳载体上的铂族金属纳米颗粒。

近日，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Laetitia Dubau，美国加州大学欧文分校Plamen Atanassov报道了使用二氧化硅模板、尼卡巴嗪和含铁的前体，采用牺牲载体法（SSM）合成了两种不同的Fe-N-C电催化剂。研究了Fe-N-C电催化剂的稳定性，以及在N₂-NH₃气体混合物（90:10）下进行的二次热处理对其在加速应力测试（ASTs）下PEMFC阴极稳定性的影响。

物化表征表明，第一次热解（Fe-HT1，N2-H2混合气体下93：7热解）和第二次热解（Fe-HT2，进行两次热解）后的催化剂之间仅有轻微的变化，即孔宽向大直径倾斜，石墨化略有增加，C sp³和N-吡啶含量较高。然而，NH₃气氛下的热处理大大提高了Fe-HT2材料的ORR活性和选择性，并影响了其降解机理。

AST结果显示，在Ar气氛中，经过载荷循环（LC）后，Fe单原子聚集并形成团簇，而不是纳米颗粒。在温度为80 °C的LC老化过程中，Fe-HT2观察到了Fe-团簇的形成，而Fe-HT1中没有观察到Fe-团簇的形成。此外，Fe-团簇的形成还取决于老化试验的温度，即在当温度为60 °C时，Fe-HT2上没有观察到团簇的形成，因此保持了较好的MA。

研究人员猜测，二次热解后的材料为原子分散的过渡金属迁移和重组提供了不同的机制，包括更高的表面迁移率，以及Fe-N_x-C_y边缘和面内位点之间可能的转化，最终导致明显的2D团簇形成。

因此，升高工作温度虽然提高了PEMFCs的初始性能，但同时加快了催化剂性能衰减，进而导致耐久性降低。因此，目前无铂族金属的M-N-C型催化剂的应用可能仍仅限于在中温度下运行的装置（如便携式质子交换膜燃料电池、空气燃料电池或金属空气电池）。

Kavita Kumar, et al, Fe-N-C Electrocatalysts’ Durability: Effects of Single Atoms’Mobility and Clustering, ACS Catal. 2021

DOI: 10.1021/acscatal.0c04625

https://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c04625