氧還原反應（ORR）在質子交換膜燃料電池（PEMFC）等各種能量轉換和存儲系統中發揮著至關重要的作用。目前，鉑族金屬（PGM）基催化劑被認為是高效可靠的ORR催化劑，但由于其稀缺性和不可持續性阻礙了其大規模發展。而Fe-N-C作為新興的催化劑，已被證明具有令人鼓舞的ORR活性，被認為是Pt/C催化劑的有前途的低成本替代品。然而，它們具有在PEMFC中耐久性不佳的問題，該問題也成為了Fe-N-C催化劑商業化的一個重大障礙。
因此，開發兼具活性和穩定性的Fe-N-C催化劑迫在眉睫。為了解決 ORR 中 Fe-N-C 催化劑的活性與穩定性權衡問題，人們開發了多種策略。例如構建局部缺陷的碳基體，雖然這樣可以提高ORR的活性，但這種缺陷結構會加速 ORR 過程中 FeN4 位點的脫金屬化，從而導致催化劑穩定性降低。與之相對的，開發具有更高耐腐蝕性/氧化性的石墨化碳骨架可以有效緩解活性位點的脫金屬化，提高穩定性，但由于其缺乏足夠的缺陷和N配位位點導致催化劑的FeN4位點密度受限，從而使活性降低。因此，為了提高Fe-N-C催化劑的本征活性和穩定性，需要為碳結構中的FeN4活性位點創造最佳的局部配位環境。
嵌入碳平面中的 FeN4位點的 Fe 原子通常錨定在兩種類型的配位環境中，即原位穆斯堡爾分析識別的具有吡咯-N 連接環境（S1 位點）的 FeN4C12構型和具有四個吡啶-N配體（S2位點）的FeN4C10構型。FeNxS1位點被認為具有高活性，但可以通過高自旋態轉變為不活潑的氧化鐵而降解，而低/中自旋位點 FeN4 S2 位點的結構相對更穩定，但內在活性相對較低。因此，如何開發兼具活性和穩定性的Fe-N-C催化劑，解決催化劑活性和穩定性的權衡問題是一項巨大的挑戰。
文章鏈接 https://doi.org/10.1002/aenm.202303733