甲醇作为燃料电池的能量，比氢能更容易储存和转移。甲醇燃料电池可广泛应用于移动电子设备中。众所周知，非贵金属（PGM-free）单原子（M-N-C）氧还原催化剂质子交换膜燃料电池（PEMFC）其优点是催化剂成本大大降低。PGM-free单原子氧还原催化剂＊大的优点是选择性高，甲醇耐受性优越，减少了传统阴极贵金属催化剂甲醇膜渗透的交叉反应，为未来高浓度甲醇获得高功率密度的甲醇燃料电池提供了相当大的应用前景。

    ＊近，纽约州立大学布法罗分校（SUNY-UB）武刚教授团队与德克萨斯大学奥斯汀分校刘教授、俄勒冈州立大学冯振兴教授合作Energy&EnvironmentalScience报告称，非贵金属单原子催化剂在甲醇燃料电池性能测试方面取得了突破（1）。纽约州立大学布法罗博士后石秋荣、何杨华博士生、德克萨斯大学奥斯汀博士生白晓万是共同的第一作者。

    1.PGM-freeM-N-C燃料电池催化剂在甲醇燃料电池中的应用。

    本文的第一个亮点是从实验和理论计算的角度研究PGM-free甲醇耐受性机制是单原子氧还原催化剂。

    M-N-C以及N-C甲醇耐受性试验表征。

    燃料电池催化剂，催化剂是在含有不同浓度甲醇溶液的酸性介质中测试的SCV比较曲线(2)M-N-C(M=Fe,Co,Mn)以及非金属N-C催化剂的甲醇耐受性和甲醇对不同活性位点的吸附性。实验可以得出(1)2M催化剂中甲醇浓度ORR性能的影响可以忽略不计；(2)甲醇的添加不影响ORR四电子反应过程；(3)相对于MNx甲醇更倾向于吸附吡啶氮活性位点；(4)甲醇在M-N-C催化剂的吸附涉及电化学过程，而不是简单的物理或静电吸附；（5）随着甲醇浓度的增加，溶液的溶解氧量和氧分子的运动率有一定的影响ORR活性。

    3.DFT甲醇在无电压和不同施加电压下吸附计算的活性位点。

    此外，理论计算也是第一次通过施加电压来计算不同活性位点在不同电压下对甲醇的吸附能。如3所示，计算结果表明（1）与吡啶氮相比，CoNx以及MnNx，FeNx活性位点显示甲醇耐受性＊高；(2)MNx施加电压改变了金属3d电子轨道与甲醇分子中氧原子电子轨道的杂化会随着应用电压的增加而增加吸附能力，吡啶氮与甲醇分子中氧原子相距较远，没有电子轨道杂化，因此电压变化对吸附能力没有显著变化。M-N-C未来将研究催化剂中活性位点甲醇吸附的机理PGM-freeM-N-C酒精燃料电池中催化剂的应用研究具有指导意义。

    4.先掺杂Co后吸附Fe合成Fe/Co-N-C示意。制氢电解槽

    本文的第二个亮点是M-N-C材料设计。与传统的双金属掺杂不同，本文采用分步掺杂和吸附的方法合成，利用金属间的协同效应提高催化剂的性能Fe/Co-N-C双金属催化剂优化催化剂的孔径，提高催化剂的传质效果(4所示)。Co第二步是掺杂ZIF-去除8中锌，调节孔径，改善传质，促进Fe吸附对增加活性位点起着关键作用。BET也证明了表征Co掺杂能有效提高中孔密度，达到提高传质的效果。EELS分析(5)和XANES也证明了表征FeN4以及CoN4形成活性位点。

    5.HAADF-STEM-EELS分析。

    第三个亮点是氢-空气燃料电池性能突破。团队首先使用旋转圆盘电极（RRDE）对材料的催化性能(6)进行测试和质子交换膜燃料电池评估。第一步是优化掺杂Co/Zn第二步吸附的比例Fe的含量，RRDE酸性介质试验中氧还原E1/2可达到0.85V。质子交换膜燃料电池试验结果表明，通过调整Co混合能有效提高传质效果，优化峰功率密度可达500mW/cm以上，再次证明Co掺杂能有效改善催化剂中的孔结构。制氢电解槽

    6.催化剂在RRDE以及PEMFC性能表征。

    本文的第四个亮点是将催化剂应用于甲醇燃料电池测试（7），并取得优异的性能。在甲醇-空气电池测试中Fe/Co-N-C催化剂在不同甲醇浓度下的开路电压和峰值功率密度。与贵金属催化剂相比，这种双金属催化剂具有相当优异的甲醇耐受性、较高的开路电压和较小的高浓度甲醇性能衰减。M-N-C该工作首次获得了135mW/cm2的功率密度远高于以前的任何功率密度PGM-freeM-N-C甲醇-空气电池试验中催化剂的性能。

    7.甲醇-空气燃料电池催化剂的性能表征（A和D:Fe/Co-N-C,B和E：Pt/C）。

    此文章为M-N-C催化剂用于其他燃料电池，如直接乙醇燃料电池和直接氨燃料电池，提供了更广阔的应用前景。

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