高性能耐久型NC@MnCo/NC催化剂在氧还原反应中的应用研究

本文推荐：研究者通过热解核壳结构ZIF-8@MnxCoy-ZIF，制备了具有碳纳米管（CNTs）修饰的NC@MnxCoy/NC催化剂。Mn掺杂提升了氮含量和电子传导性，双金属活性位点、分级微介孔碳框架及高石墨化度使NC@Mn0.25Co0.75/NC展现出卓越的氧还原反应（ORR）活性（半波电位0.811 V，媲美商用Pt/C）和耐久性（20000秒后电流保持率94.67%），为燃料电池非贵金属催化剂设计提供了新思路。

　　

Highlight

探索高活性、低成本的氧还原反应（ORR）催化剂是解决燃料电池阴极动力学缓慢的关键。本研究通过热解核壳结构ZIF-8@Mn_xCo_y-ZIF，制备了表面修饰碳纳米管（CNTs）的NC@Mn_xCo_y/NC催化剂。Mn掺杂不仅增加了氮含量，还显著提升了电子传导性能。得益于双金属活性位点、分级微介孔碳框架、大比表面积和平均孔径、丰富的碳缺陷以及高石墨化度，NC@Mn_0.25Co_0.75/NC表现出最优的ORR活性和准4电子反应路径，其半波电位（E_1/2）达0.811 V，与商用Pt/C（0.807 V）相当。此外，该催化剂在20000秒测试后电流保持率高达94.67%，展现出卓越的耐久性。

Introduction

化石燃料引发的能源危机和环境问题推动了人们对可持续清洁能源（如金属空气电池和燃料电池）的研究。作为这些电池的阴极反应，ORR因O=O键的高解离能（498 kJ mol^-1）和缓慢动力学导致效率低下。目前，铂基（Pt-based）纳米材料虽被广泛用作ORR催化剂，但其成本高、资源稀缺、甲醇耐受性差和稳定性不足等问题制约了燃料电池的大规模应用。因此，开发低成本、资源丰富且高活性的非Pt催化剂势在必行。

过渡金属基电催化剂（如M/NC，M=Fe、Co等）因其金属-氮-碳（M-N_x）活性位点的稳定性成为研究热点。然而，热加工过程中金属颗粒团聚和三相界面面积小等问题仍待解决。沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）凭借大比表面积、可调形态和孔结构成为ORR催化剂的理想模板，但ZIF-8和ZIF-67衍生的催化剂存在导电性低、微孔主导及高温下氮流失等缺陷。

研究表明，通过掺杂第二金属（如Fe、Mn、Cu）可提升Co/NC催化剂的ORR性能。Mn因其可调控的表面价态和低电负性，更利于协同增强活性。本研究首次报道了ZIF-8@Mn_xCo_y-ZIF衍生的NC@Mn_xCo_y/NC催化剂，系统探究了Mn掺杂量对结构和ORR性能的影响。

Conclusions

核壳结构ZIF-8@MnCo-ZIF经热解成功转化为NC@Mn_xCo_y/NC催化剂。MnCo颗粒高度分散于氮掺杂碳层或CNT顶端，CNT的生成提升了电子传导性并抑制颗粒团聚。分级微介孔碳框架促进了Mn活性位点暴露和O₂传输，使催化剂性能媲美Pt/C，且具备更优的甲醇耐受性和耐久性。