尽管最先进的Fe-N-C催化剂在氧还原反应（ORR）中展现出与铂相当的初始活性，但它们在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中的运行耐久性仍然受到电化学循环过程中Fe-N键逐渐失稳的根本性限制，导致不可逆的金属浸出、灾难性的催化剂降解以及所谓的活性-稳定性权衡。
2025年6月17日，北京化工大学向中华在国际期刊Angewandte Chemie International Edition上发表了题为《Strategic secondary coordination implantation towards efficient and stable Fe-N-C electrocatalysts for PEMFCs》的研究论文，Haifeng Yu为论文第一作者，向中华为论文通讯作者。
该研究基于第一性原理筛选的指导，证明了具有与活性位点相似d轨道特性的过渡金属离子战略性地植入次级配位球中，作为非催化稳定剂，能够动态中和反应中间体诱导的电子极化，从而在ORR循环过程中稳定金属-氮键。
作为概念验证，将等价的Ru离子作为电子缓冲位点整合到设计的FeRu双原子催化剂中，不仅实现了在0.9V时高达1.73Wcm-2的峰值功率密度和58mAcm-2的电流密度，还展现出卓越的耐久性，在长时间稳定性测试后，电流衰减率仅为0.2mAcm-2h-1，并且铁Fe的保留率超过97%。
这与Fe-N-C对应物形成鲜明对比，后者在相同条件下保留的铁位不到11%。
图1：a）：Fe-N-C催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中活性与稳定性之间的内在矛盾；b）：电子缓冲位点的设计概念；c）：在ORR反应路径中，Fe-N键长随着反应进程的变化；d）：在双原子催化剂中，金属位点的价态变化；e）：DOS看出FeRu-DACs的d带中心下移0.27eV，表明Ru的引入优化了Fe的电子结构；f）：FeRu-DACs表现出更低的吸附能，有助于提高ORR活性；g）：FeRu-DACs的反应决速步从OH脱附转变为OOH→O*转化，提高了内在活性。
图2：a）：TEM图像显示出FeRu-DACs的三维菱形十二面体形态，碳框架直径约为50-100nm；b）：TEM没有检测到金属颗粒或聚集物，表明催化剂具有良好的分散性；c）：HAADF-STEM图像直接证明了双原子活性位点的形成，平均键长约为2.2Å；d）：EXAFS光谱显示Fe-N和Fe-Ru路径的特征峰；e）：Ru K-edgeEXAFS光谱也显示出Ru-N和Ru-Fe路径的特征峰；f-g）：通过最小二乘法拟合R空间曲线，确认了Fe和Ru的原子分散状态以及Fe-N4和Ru-N4的配位环境；h-i）：进一步分析了Fe和Ru的配位结构，没有检测到金属团簇的存在。
图3：a）：LSV曲线表明FeRu-DACs表现出更高的半波电位和起始电位；b）：FeRu-DACs的起始电位和半波电位分别比Fe-N-C和Ru-N-C提高了41mV和33mV；c）：FeRu-DACs在0.85V时的动力学电流密度高于Fe-N-C；d）：FeRu-DACs的Tafel斜率略低于Fe-N-C，表明其ORR动力学更快。
综上，该研究通过第一性原理筛选指导，提出了一种在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中高效且稳定的Fe-N-C催化剂的设计策略。
通过在Fe-N-C催化剂的次级配位球中战略性地植入具有类似d轨道特性的过渡金属离子（如钌，Ru），构建了电子缓冲位点，实现了在氧还原反应（ORR）循环过程中金属-氮键的稳定化。
突破了Fe-N-C催化剂在PEMFCs中活性与稳定性之间的传统权衡，通过动态电子缓冲机制，显著提高了催化剂的氧还原活性和长期运行稳定性，为开发高性能、低成本的非铂催化剂提供了新的思路和理论基础。
Strategic secondary coordination implantation towards efficient and stable Fe-N-C electrocatalysts for PEMFCs, Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202508141.