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近日，邢巍/葛君杰研究团队在Cell Press细胞出版社期刊Chem Catalysis 上在线发表论文，报道了在质子交换膜燃料电池（PEMFC）阴极引入自由基清除剂单原子位点的新策略，设计、制备了双单位点Fe,Ce-N-C催化剂并阐明了催化机理，开辟了缓解酸性ORR中Fe-N-C催化剂降解的新方向。
PEMFC是一种很有前景的清洁能源装置，具有高效、无污染的优势，适用于重型运输等应用。PEMFC阴极的缓慢氧还原反应 (ORR) 需要大量昂贵的铂基催化剂，这阻碍了其大规模商业化。近年来，以Fe-N-C为代表的热解型非铂金属-氮-碳 (M-N-C) 催化剂在其初始ORR活性已取得了巨大进步。然而，Fe-N-C催化剂的低耐久性仍远不足以满足实际应用。在酸性介质中，主要的降解机制包括表面碳氧化、脱金属、氮基的质子化和阴离子吸附等。值得注意的是，Fe中心对上述降解过程负有主要责任，因为Fe中心进行双电子ORR过程将产生副产物H2O2，继而通过芬顿反应催化H2O2产生具有侵蚀性的活性氧物种 (ROS)，尤其是羟基自由基 (•OH)，将不可逆地破坏催化剂的碳基质和PEMFC中的聚合物膜，进一步地加剧了块状碳腐蚀使得脱金属，导致恶性循环失活。含铁催化剂的芬顿活性是材料固有的性质，耐久性挑战只能通过最大限度地减少H2O2的产生量或快速消耗ORR过程中产生的ROS来缓解。
近日，中国科学院长春应用化学研究所邢巍（点击查看介绍）/中国科学技术大学葛君杰（点击查看介绍）研究团队报道了一种新型双单原子催化剂（Fe,Ce-N-C）来应对ROS诱导的催化剂失活。Fe,Ce-N-C不仅表现出远超传统Fe-N-C的耐久性，而且由于表观4e选择性的提升而具有更高的活性。通过对该机制的探究，发现Ce单原子可以有效地将H2O2分解为O2并清除Fe位点上产生的ROS，从而提高活性和稳定性。这项工作提供了一个概念验证研究，即可通过设计具有不同功能的双单原子位点来提高催化剂的稳定性。
相关工作发表于Cell Press细胞出版社期刊Chem Catalysis。博士生楚宇逸、罗二桂博士、博士生韦尧是该论文的共同一作，邢巍研究员、葛君杰研究员和姜政研究员是论文的通讯作者。相关研究得到国家自然科学基金，科技部重点研发计划，吉林省科技重大专项等项目的支持。