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張鐵銳/尚露AEM：MOF-5衍生碳負(fù)載Fe SACs用于質(zhì)子交換膜燃料電池中高效ORR

開發(fā)具有豐富、易接近的Fe位點的Fe單原子催化劑（Fe SACs）是提高質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）中氧還原反應(yīng)（ORR）效率的關(guān)鍵步驟。

基于此，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員和尚露副研究員（共同通訊作者）等人報道了通過配體介導(dǎo)的方法制備了一種負(fù)載在C-MOF-5上的Fe單原子催化劑（表示為Fe SAC-MOF-5），并在旋轉(zhuǎn)盤電極（RDE）和PEMFC進(jìn)行測試。

首先，作者采用具有三維（3D）微孔立方結(jié)構(gòu)的Zn₄O(1, 4-苯二甲酸酯)₃（MOF-5）作為前驅(qū)體，制備了一種具有超高比表面積（2751 m² g^-1）和高外表面積（1651 m² g^-1）的高孔碳（表示為C-MOF-5）。

接著，作者證明了C-MOF-5是一種有效的碳載體，并利用C-MOF-5負(fù)載Fe單原子催化劑生成了Fe-SAC-MOF-5，其中含有大量易接近的FeN_x位點（2.35 wt%）。

通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e SAC-MOF-5在0.5 M H₂SO₄電解質(zhì)中提供0.83 V（vs RHE）的半波電位，在0.2 MPa H₂-O₂質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中實現(xiàn)了0.84 W cm^-2的峰值功率密度。

這種優(yōu)異的性能來源于C-MOF-5的超高比表面積，用于形成高密度的單Fe原子，以及用于增加活性位點暴露的高外表面積。該工作可能會啟發(fā)合理設(shè)計從更廣泛的具有超高比表面積的MOF前驅(qū)體衍生的金屬單原子催化劑，以改善PEMFCs中ORR的性能。

Fe Single-Atom Catalysts on MOF-5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Adv. Energy Mater., 2021, DOI: 10.1002/aenm.202102688.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102688.

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