质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃烧传能源的发动机最有前途和最有效的替代品之一。然而，氧还原反应(ORR)由于其有限的动力学和高过电位而影响着整体性能。FeN4单原子位点(SAS)对氧还原反应(ORR)具有高活性，通过设计局部配位环境和FeN4位点密度对于进一步提高电催化ORR性能至关重要。基于此，大连理工大学石川和内蒙古大学高瑞等将第二种金属Mn与Fe结合以构建具有增强的FeN4活性位点密度和调制电子结构的Fe&Mn/NC催化剂。Fe&Mn/NC催化剂在碱性和酸性溶液中均表现出增强的ORR性能。其在碱性条件下的起始电位(Eonset)为1.015 V，半波电位(E1/2)为0.904 V，优于Fe/NC(Eonset= 0.996 V，E1/2=0.880 V)和Mn/NC(Eonset=0.911 V，E1/2=0.760 V)；在酸性条件下起始电位为0.948 V，半波电位为0.781 V。此外，Fe&Mn/NC在0.6 VRHE的恒定电位下连续运行10000秒，仍保留其初始电流密度的77%，这比消耗其初始电流密度40%的Fe/NC催化剂要好得多。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，在形成的FeN4-O-MnN4构型中，MnN4的存在调节了Fe的局部环境并保留了更多嵌入碳基底的Fe原子；FeN4-O-MnN4的优化电子结构有利于O2*的质子化以及Mn和Fe之间的协同效应导致ORR反应的整体能垒在FeN4-O-MnN4上明显降低，导致催化剂表现出高的ORR性能。这项工作为合理设计和优化双金属位点以提高ORR电催化剂的催化性能提供了新的策略。
Engineering the Local Coordination Environment and Density of FeN4 Sites by Mn Cooperation for Electrocatalytic Oxygen Reduction. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202200911
