FeNC壳层稳定的L10-PtFe金属间化合物纳米颗粒：高性能氧还原催化剂的设计与突破

本文报道了一种创新性催化剂设计策略：通过铁-菲咯啉（Fe-Phen）前驱体构建FeN4位点修饰的碳壳（FeNC），成功制备出3.59 nm超小尺寸、高有序度（67.4%）的L10-PtFe@FeNC核壳结构。该催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）氧还原反应（ORR）中展现出0.592 A mgPt–1的质量活性（5倍于商业Pt/C），并通过FeNC壳层与Pt表面的强键合作用实现30,000次循环后68.2%的活性保持率，为破解Pt基催化剂活性-稳定性权衡难题提供了新思路。

　　

Highlight

本研究通过整合金属-氮-碳（M-N-C）结构与碳壳层优势，开发出具有铁-氮-碳（FeNC）保护壳的L1₀有序PtFe金属间化合物纳米颗粒（L1₀-PtFe@FeNC）。Fe-菲咯啉前驱体的强配位作用实现了Fe物种在Pt晶种上的均匀分布，形成的FeNC壳层在高温退火和苛刻反应条件下有效抑制了纳米颗粒（NPs）的团聚和溶解。

Chemical and reagents

实验采用六氯铂酸（H₂PtCl₆）、三氯化铁（FeCl₃）为金属源，菲咯啉（Phen）为氮碳前驱体，以科琴黑EC-300J为载体，所有化学品均未经纯化直接使用。

Physical characterization of catalysts

通过两步合成法获得碳包覆PtFe催化剂：首先利用Phen与Fe(III)的强配位作用锚定Fe原子，高温碳化后形成具有FeN₄位点的FeNC壳层。相比二聚氰胺（DCD）和甲基纤维素（MC）衍生的氮掺杂碳（NC）和纯碳（C）壳层，FeNC壳层展现出更优异的Fe原子固定能力。

Conclusions

FeNC壳层稳定的L1₀-PtFe催化剂实现了尺寸与有序度的双重突破：①粒径仅3.59 nm；②有序度达67.4%。密度泛函理论（DFT）计算揭示FeNC壳层与Pt表面的强相互作用是稳定性的关键，为设计新一代燃料电池催化剂提供了范式。