開發(fā)陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）必須對高能非貴金屬基催化劑的電子構(gòu)型和中間產(chǎn)物吸附行為進行研究，以解決正極氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)緩慢的問題，但這仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。

在此，蘇州大學(xué)晏成林，南通大學(xué)錢濤等人報告了一種稀土金屬氧化物工程策略，即通過在摻雜 N,O 的碳納米球（Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNSs）中形成 Fe₃O4/La₂O₃ 異質(zhì)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高效的氧還原電催化。計算表明，La─O─Fe 異質(zhì)界面形成的界面鍵有效地優(yōu)化了 Fe d 帶中心相對于費米級的電子結(jié)構(gòu)，從而顯著降低了 ORR 過程中限速步驟的反應(yīng)壁壘。

對中間產(chǎn)物化學(xué)吸附的調(diào)節(jié)使 Fe₃O₄/La₂O₃@N,O-CNSs 具有出色的 ORR 性能和更高的穩(wěn)定性，半波電位值（0.88 V）顯著提高。在實際的 AEMFC 工作條件下，該催化劑的功率密度高達 148.7 mW cm^-2，高于商用 Pt/C 耦合電極。

圖1. DFT計算

總之，該工作開發(fā)出了摻雜 N、O 碳納米球中的 Fe₃O₄/La₂O₃ 納米粒子，并將其設(shè)計為一種高效 ORR 電催化劑。實驗表明，La₂O₃ 的引入引起了鐵活性位點的顯著電子調(diào)制，使鐵的 d 帶中心下移到費米級，對氧相關(guān)中間產(chǎn)物具有適度的吸附行為，從而降低了反應(yīng)能壘，提高了整個 ORR 過程的內(nèi)在活性。同時，多孔 N,O-CNS 的 0D 多孔納米球結(jié)構(gòu)和高比表面積有利于在碳基體充分暴露更多的活性位點，有利于縮短電子和質(zhì)量傳輸路徑。

因此，F(xiàn)e₃O₄/La₂O₃@N,O-CNS 具有出色的 ORR 性能（半波電位為 0.88 V）和耐久性。相應(yīng)地，F(xiàn)e₃O₄/La₂O₃@N,O-CNS 電極使 AEMFCs 達到了 148.7 mW cm^-2 的峰值功率密度和長達 100 h 的出色循環(huán)穩(wěn)定性。因此，該工作可以促進高催化性和高穩(wěn)定性的稀土金屬氧化物改性 Fe-N-C 催化劑的開發(fā)，使其在 AEMFCs 中得到實際應(yīng)用。

圖2. 電化學(xué)性能

Tailoring the Chemisorption Manner of Fe d-Band Center with La2O3 for Enhanced Oxygen Reduction in Anion Exchange Membrane Fuel Cells, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202309886