由于零碳排放、高体积功率和天然CO2耐受性的优势，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)被认为是最有前景的可再生能量转换装置之一。其中，氧还原反应(ORR)直接决定燃料电池的能量转换效率。在实际的PEMFCs中，ORR发生在催化剂-电解质-气体三相界面，然而许多在水相RDE试验中表现良好的ORR催化剂在燃料电池中并没有表现出很高的性能，这给ORR催化剂层(CL)的质量运输和电催化转换带来了阻碍。挑战是多方面的，涉及催化剂的活性、可用的活性位点，以及氧和质子通过聚合物电解质运输到达活性位点并从这些位点去除水。因此，需要一个具有精细催化剂-电解质-气体三相界面设计的CL，以便于促进质量输运过程，实现高效的ORR。
近日，北京理工大学王博和杨文秀等通过混合配体策略选择手性结构的GT-18 MOFs作为前驱体，并通过盐模板构建富N纳米多孔碳纳米片，实现了离聚物的均匀分散，提高了传质性能。同时，由Fe原子团簇调控的原位衍生Fe SAs位点(FeAC-N-SC)表现出更高的ORR催化性能和稳定性。HAADF-STEM和XAS证实在N掺杂碳基体(N-SC)中Fe团簇和Fe SAs共存。
得益于Fe单原子位点与Fe原子团簇之间强烈的电子相互作用，所制备的FeAC-N-SC电催化剂表现出优异的ORR活性和显著的耐久性。AFM图像显示，FeAC-N-SC催化剂层中离聚物分布均匀，有利于质子传输。根据实验和计算流体力学(CFD)结果，可以验证FeAC-N-SC中存在低阻O2/质子传输通道。
在酸性条件下，FeAC-N-SC催化剂的半波电位(E1/2)为0.819 V，动力学电流密度(jk)为7.49 mA cm-2@0.8 V。此外，基于FeAC-N-SC催化剂的PEMFCs在0.85 V下表现出优异的峰值功率密度(1.1 W cm-2)和活性(83.53 mA cm-2)；并且该PEMFCs具有较高的化学稳定性，在H2-O2条件下经过100小时的OCV试验后，电压损失仅为8%。
总的来说，该项研究揭示了CL设计、质量输运和电极微观结构之间的关系，为同时优化催化剂层的催化剂-电解质-气体三相界面和单原子催化剂的电子结构以提高PEMFC性能提供了参考。
Optimizing the mass transport and atomic Fe intrinsic activity to achieve high-performing fuel cells.Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c03499
王博，北京理工大学教授、博导，校党委常委、副校长，中国科协常委，高能量物质前沿科学中心主任，教育部科技委委员。从事新型纳米多孔材料和仿生开放框架聚合物理论与设计及其在关键分离过程、生物医学和能源等领域的应用研究。国家杰出青年科学基金获得者，入选国家“万人计划”领军人才、国家级领军人才项目。获“科睿唯安世界高被引科学家”，爱思唯尔“中国高被引学者”，教育部自然科学一等奖，中关村杰出青年科学家奖，未来探索奖，青山科技奖，“中国化学会青年化学奖”，北京青年五四奖章等荣誉。在Nature、Science、Nature Materials、JACS、Angew.等学术期刊上发表100余篇论文，论文SCI总他引超过28000次。
杨文秀，北京理工大学，博导，特别研究员。主要从事功能化纳米材料的合成及其在催化、新能源领域的应用(电解水、燃料电池和CO2还原等)。近年来，已经以第一/通讯作者的身份在JACS、Angew.、AEM、Chem. Soc. Rev.、Trends Chem.、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.等国际著名期刊上发表论文39篇，总引用4900余次。