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? ? 甲醇作為燃料電池的能量，比氫能更容易儲存和轉移。甲醇燃料電池可廣泛應用于移動電子設備中。眾所周知，非貴金屬（PGM-free）單原子（M-N-C）氧還原催化劑質子交換膜燃料電池（PEMFC）其優點是催化劑成本大大降低。PGM-free單原子氧還原催化劑＊大的優點是選擇性高，甲醇耐受性優越，減少了傳統陰極貴金屬催化劑甲醇膜滲透的交叉反應，為未來高濃度甲醇獲得高功率密度的甲醇燃料電池提供了相當大的應用前景。

? ? ＊近，紐約州立大學布法羅分校（SUNY-UB）武剛教授團隊與德克薩斯大學奧斯汀分校劉教授、俄勒岡州立大學馮振興教授合作Energy&EnvironmentalScience報告稱，非貴金屬單原子催化劑在甲醇燃料電池性能測試方面取得了突破（1）。紐約州立大學布法羅博士后石秋榮、何楊華博士生、德克薩斯大學奧斯汀博士生白曉萬是共同的第一作者。

? ? 1.PGM-freeM-N-C燃料電池催化劑在甲醇燃料電池中的應用。

? ? 本文的第一個亮點是從實驗和理論計算的角度研究PGM-free甲醇耐受性機制是單原子氧還原催化劑。

? ? M-N-C以及N-C甲醇耐受性試驗表征。

? ? 燃料電池催化劑，催化劑是在含有不同濃度甲醇溶液的酸性介質中測試的SCV比較曲線(2)M-N-C(M=Fe,Co,Mn)以及非金屬N-C催化劑的甲醇耐受性和甲醇對不同活性位點的吸附性。實驗可以得出(1)2M催化劑中甲醇濃度ORR性能的影響可以忽略不計；(2)甲醇的添加不影響ORR四電子反應過程；(3)相對于MNx甲醇更傾向于吸附吡啶氮活性位點；(4)甲醇在M-N-C催化劑的吸附涉及電化學過程，而不是簡單的物理或靜電吸附；（5）隨著甲醇濃度的增加，溶液的溶解氧量和氧分子的運動率有一定的影響ORR活性。

? ? 3.DFT甲醇在無電壓和不同施加電壓下吸附計算的活性位點。

? ? 此外，理論計算也是第一次通過施加電壓來計算不同活性位點在不同電壓下對甲醇的吸附能。如3所示，計算結果表明（1）與吡啶氮相比，CoNx以及MnNx，FeNx活性位點顯示甲醇耐受性＊高；(2)MNx施加電壓改變了金屬3d電子軌道與甲醇分子中氧原子電子軌道的雜化會隨著應用電壓的增加而增加吸附能力，吡啶氮與甲醇分子中氧原子相距較遠，沒有電子軌道雜化，因此電壓變化對吸附能力沒有顯著變化。M-N-C未來將研究催化劑中活性位點甲醇吸附的機理PGM-freeM-N-C酒精燃料電池中催化劑的應用研究具有指導意義。

? ? 4.先摻雜Co后吸附Fe合成Fe/Co-N-C示意。制氫電解槽

? ? 本文的第二個亮點是M-N-C材料設計。與傳統的雙金屬摻雜不同，本文采用分步摻雜和吸附的方法合成，利用金屬間的協同效應提高催化劑的性能Fe/Co-N-C雙金屬催化劑優化催化劑的孔徑，提高催化劑的傳質效果(4所示)。Co第二步是摻雜ZIF-去除8中鋅，調節孔徑，改善傳質，促進Fe吸附對增加活性位點起著關鍵作用。BET也證明了表征Co摻雜能有效提高中孔密度，達到提高傳質的效果。EELS分析(5)和XANES也證明了表征FeN4以及CoN4形成活性位點。

? ? 5.HAADF-STEM-EELS分析。

? ? 第三個亮點是氫-空氣燃料電池性能突破。團隊首先使用旋轉圓盤電極（RRDE）對材料的催化性能(6)進行測試和質子交換膜燃料電池評估。第一步是優化摻雜Co/Zn第二步吸附的比例Fe的含量，RRDE酸性介質試驗中氧還原E1/2可達到0.85V。質子交換膜燃料電池試驗結果表明，通過調整Co混合能有效提高傳質效果，優化峰功率密度可達500mW/cm以上，再次證明Co摻雜能有效改善催化劑中的孔結構。制氫電解槽

? ? 6.催化劑在RRDE以及PEMFC性能表征。

? ? 本文的第四個亮點是將催化劑應用于甲醇燃料電池測試（7），并取得優異的性能。在甲醇-空氣電池測試中Fe/Co-N-C催化劑在不同甲醇濃度下的開路電壓和峰值功率密度。與貴金屬催化劑相比，這種雙金屬催化劑具有相當優異的甲醇耐受性、較高的開路電壓和較小的高濃度甲醇性能衰減。M-N-C該工作首次獲得了135mW/cm2的功率密度遠高于以前的任何功率密度PGM-freeM-N-C甲醇-空氣電池試驗中催化劑的性能。

? ? 7.甲醇-空氣燃料電池催化劑的性能表征（A和D:Fe/Co-N-C,B和E：Pt/C）。

? ? 此文章為M-N-C催化劑用于其他燃料電池，如直接乙醇燃料電池和直接氨燃料電池，提供了更廣闊的應用前景。

? ? 制氫電解槽