分子组装合成微孔 FeN4掺杂碳板负载 Fe3C 掺杂石墨化碳纳米带用于高效氧还原：开启氧还原反应新征程

在燃料电池和锌 - 空气电池中，阴极氧还原反应（ORR）至关重要。目前 Pt 基电催化剂存在诸多问题，研究人员开展了分子组装合成新型 Fe/N 掺杂碳材料的研究。结果显示该材料 ORR 性能优异，为开发高效非贵金属催化剂提供了新思路。

　　在能源领域，燃料电池和锌 - 空气电池作为极具潜力的新型能源存储与转换装置，受到了广泛关注。其中，阴极氧还原反应（ORR）堪称这类电池的核心环节，其反应效率直接决定了电池的性能。然而，当前用于 ORR 的 Pt 基电催化剂却如同拦路虎一般，阻碍着这些电池的大规模商业化进程。Pt 资源稀缺，成本高昂，而且在 ORR 过程中稳定性欠佳，这使得科研人员迫切需要寻找高效的非贵金属基催化剂来取而代之。

过渡金属 / 氮掺杂碳（M?N?C）催化剂因具有诸多优势，成为了研究的热门方向，尤其是 Fe-N-C 催化剂，被认为是最有可能替代 Pt 的候选材料。不过，在对 Fe-N-C 催化剂的研究中，以往大多聚焦于创建原子分散的 Fe-N 位点并调节其电子结构等方面，却较少同时兼顾碳载体的孔隙率、石墨化程度和形态。要知道，碳载体的微孔能够容纳原子分散的 M?N 位点并防止其聚集，而提高石墨化程度又能提升催化剂的电导率和稳定性。但麻烦的是，在碳材料中创建丰富微孔往往会破坏石墨结构，高度石墨化的碳材料又缺乏微孔来锚定活性 M?N 位点。此外，碳包覆的 Fe/Fe₃C 纳米颗粒虽对 ORR 有活性，却容易在高温热解时严重团聚。同时，M?N?C 催化剂的颗粒形态也会影响 ORR 性能，传统的 3D 微米或块状颗粒碳载体不利于物质和电子传输，而 2D 多孔碳载体则展现出独特优势。

为了解决这些难题，苏州的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们通过分子组装策略，成功制备出一种新型 Fe/N 掺杂碳材料。这种材料由高度石墨化且装饰有 Fe₃C 的碳纳米带植入携带 FeN₄位点的 2D 高度微孔碳板构成。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为 ORR 领域带来了新的曙光。它为开发高效、低成本且稳定的非贵金属基 ORR 催化剂提供了新的途径，有望推动燃料电池和锌 - 空气电池的商业化进程，在能源领域具有重要的应用价值。

在研究方法上，研究人员采用了分子组装和热解技术。他们将组氨酸（His）、碳酸氢钾（PBC）和甘氨酸亚铁（Fe (Gly)₂）组装成均匀的分子聚集体，然后对其进行热解。通过这种方式，实现了 His 向携带原子 FeN₄位点的 2D 高度微孔碳板的转化，以及 Fe (Gly)₂向包裹 Fe₃C 纳米颗粒的高度石墨化碳纳米带的转变。

下面来看具体的研究结果：

• 催化剂制备和表征：通过特定的合成步骤，将 His、Fe (Gly)₂和 PBC 按一定比例溶解在水中形成分子聚集体，再经过碳化制备出目标催化剂。
• 合成设计、形貌和结构分析：提出分子组装策略合成 Fe/N 掺杂碳 - 碳复合材料。混合过程中，PBC 和 His 中和形成 His - K 盐，同时 His - K 和 Fe (Gly)₂均匀混合。热解时，His 经发泡、碳化和活化转化为高度微孔碳板，Fe (Gly)₂经碳化和局部催化石墨化形成包裹 Fe₃C 纳米颗粒的高度石墨化碳纳米带。

研究结论表明，这种新型 Fe/N 掺杂碳材料在 ORR 中表现出高活性、快速动力学、高稳定性和甲醇耐受性。其优异性能源于活性 FeN₄和 Fe₃C 位点，以及高孔隙率和石墨化结构，有利于物质和电子传输。该研究成功制备出具有独特结构和优异性能的 Fe/N 掺杂碳材料，为 ORR 催化剂的设计和开发提供了新的思路和方法，推动了非贵金属基催化剂在能源领域的发展，在解决能源存储与转换问题上迈出了重要一步，对未来新能源技术的革新有着深远意义。