论文标题：An ultra-low platinum loading ORR electrocatalyst with high efficiency: Synergistic effects of Pt and Fe-N-C support

期刊：Frontiers in Energy

作者：Wenbin Tang, Shuyue Xia, Haiwen Chou, Jianan Zhao, Yi Zhou, Qinghong Huang, Nengfei Yu, Yuping Wu

发表时间：24 Mar 2025

DOI：10.1007/s11708-025-1006-4

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文章简介

本研究通过聚苯胺（PANI）途径合成Fe-N-C前驱体，利用其与铂的协同效应，成功制备出Pt/Fe-N-C催化剂。该催化剂铂负载量仅为1.79 wt%，质量活性较商用Pt/C提升了2.39倍，且在锌空电池中展现出200 mW/cm²的峰值功率密度。这一成果为降低铂依赖、提升能源转换效率提供了新策略。

研究背景及意义

传统化石能源的过度消耗与环境问题加速了清洁能源技术的发展，其中锌空电池和燃料电池因其高能量密度和环境友好性备受关注。然而，ORR的缓慢动力学导致阴极反应效率低下，成为制约其商业化的主要瓶颈。铂基催化剂虽具有优异的ORR活性和稳定性，但其高昂成本、低储量及循环稳定性不足限制了大规模应用。现有低铂催化剂虽降低了铂用量，但仍面临合成工艺复杂、界面相互作用弱、铂负载量偏高等问题。此外，金属颗粒易团聚脱落，进一步降低催化活性与耐久性。因此，开发兼具超低铂负载、高活性与稳定性的催化剂成为当前研究的关键挑战。

聚苯胺（PANI）因其导电性、结构可调性和易加工性，被广泛用作催化剂前驱体。其热解生成的碳基材料可有效分散金属活性位点，但如何通过结构设计增强金属-载体相互作用仍待突破。本研究提出通过PANI路径构建Fe-N-C载体，结合路易斯掺杂理论与自结构约束效应，优化Fe-N-C位点的分布与暴露，进而实现铂离子的均匀吸附与合金化。这一策略旨在通过电子结构与界面协同效应，同时降低铂负载量并提升催化性能，为低成本高效催化剂的开发提供新思路。

图1 Pt/Fe-N-C催化剂合成过程示意图

主要研究内容

本研究首先通过无模板法合成了纳米棒状聚苯胺（PANI），并利用质子酸掺杂与氨水处理调控其氧化还原单元比例，形成可与过渡金属配位的EB-PANI。随后，将FeCl₂·4H₂O引入EB-PANI中，通过热解获得Fe-N-C载体。酸洗去除不稳定金属后，吸附PtCl₄并在300 ℃下进行二次热还原，最终得到Pt-Fe双金属合金负载的Pt/Fe-N-C催化剂。

物理表征显示，Pt/Fe-N-C呈直径40–70 nm的纳米棒结构，铂颗粒均匀分散于载体表面，晶格间距0.222 nm对应Pt（111）晶面。X射线衍射（XRD）与X射线光电子能谱（XPS）分析表明，铂主要以零价态存在，且Pt 4f结合能较Pt/C正移1.0 eV，证实Fe向Pt的电子转移优化了表面电子结构。电感耦合等离子体（ICP）测试显示催化剂中Pt和Fe含量分别为1.79 wt%和0.64 wt%，比表面积及孔径分析（BET）表明其比表面积达230.46 m²/g，为活性位点暴露提供了充足的界面。

图2 Pt/Fe-N-C催化剂的SEM与TEM图像

图3 Pt/Fe-N-C催化剂的XRD、ICP、BET及XPS图谱

电化学测试中，Pt/Fe-N-C在碱性和酸性条件下均表现出优异性能。其半波电位（E₁/₂）分别为0.85 V和0.85 V，显著高于商用Pt/C。加速耐久性测试（10000次循环）后，碱性条件下E₁/₂仅下降了20 mV，酸性条件下无明显衰减。旋转环盘电极（RRDE）测试表明，ORR以四电子路径为主，H₂O₂产率低至3%，显著优于同类铂合金催化剂。此外，锌空电池测试中，Pt/Fe-N-C的峰值功率密度达200 mW/cm²，较Pt/C提升了14.3%，且放电稳定性显著增强。

图4 Pt/Fe-N-C催化剂的电化学性能

图5 Pt/Fe-N-C催化剂在锌空电池中的性能

研究结论

本研究通过PANI路径成功构建了超低铂负载的Pt/Fe-N-C催化剂，解决了传统铂基催化剂成本高、易失活的难题。Fe-N-C载体的结构设计与Pt-Fe合金的协同效应，不仅实现了铂的均匀分散，还通过电子相互作用优化了ORR反应路径。催化剂在酸/碱环境中均展现出高活性、高选择性及优异耐久性，锌空电池性能的提升进一步验证了其实际应用潜力。

原文信息

An ultra-low platinum loading ORR electrocatalyst with high efficiency: Synergistic effects of Pt and Fe-N-C support

Wenbin Tang¹, Shuyue Xia¹, Haiwen Chou¹, Jianan Zhao¹, Yi Zhou², Qinghong Huang¹, Nengfei Yu¹, Yuping Wu¹

Author information：

1. Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China

2. Jiangsu Industrial Technology Research Institute, Nanjing 211800, China

Abstract：

The oxygen reduction reaction (ORR) plays a crucial role in key processes of fuel cells and zinc-air batteries. To enable commercialization, reducing the platinum (Pt) content and increasing the specific activity per unit mass is essential. A promising approach involves synthesizing of Fe-N-C precursors via the polyaniline (PANI) pathway, which ensures a uniform distribution of Fe-N-C species and facilitates the subsequent adsorption of platinum ions. This leads to the formation of Pt-Fe bimetallic alloys. The synergistic interaction between Pt and Fe-N-C sites promotes the homogeneous dispersion of Pt and the formation of smaller particle sizes, which in turn enhances intrinsic activity and stability of the catalyst. Notably, the Pt/Fe-N-C catalyst, featuring an ultra-low Pt loading of just 1.79 wt%, exhibits a remarkable doubling of mass activity compared to conventional catalysts. Moreover, zinc-air batteries using this catalyst achieve an impressive peak power density of 200 mW/cm².

Keywords:

oxygen reduction reaction (ORR); fuel cells; Pt-Fe-N-C catalysts; synergistic effect; mass activity

Cite this article:

Wenbin Tang, Shuyue Xia, Haiwen Chou, Jianan Zhao, Yi Zhou, Qinghong Huang, Nengfei Yu, Yuping Wu. An ultra-low platinum loading ORR electrocatalyst with high efficiency: Synergistic effects of Pt and Fe-N-C support. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-1006-4

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通讯作者简介

黄庆红，南京工业大学教授。2002年于南京师范大学大学获得硕士学位，2015年于南京航空航天大学获得博士学位。先后在苏州星恒电源、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院上海高等研究院工作和南京工业大学工作。长期从事新型化学电源相关的研究，近年来在燃料电池及电解水制氢高活性及长程稳定纳米电催化剂开发、高性能低成本膜电极构筑、面向应用的直接甲醇燃料电池、氢氧燃料电池系统集成和PEM电解水制氢等方面进行研究和布局。开发出多种级别的直接甲醇燃料电池系统、氢氧燃料电池系统和电解水制氢系统。在国内外杂志上发表论文60余篇，申请发明专利20余项。主持国家自然科学基金面上项目两项、国家重点研发计划子课题一项。

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