碳負載和氮配位的單鐵位點材料（表示為Fe-N-C）是用於氧還原反應（ORR）的最有前途的無鉑族金屬（PGM）正極催化劑，因為它們具有優異的活性和不斷提高的穩定性。然而，目前通過高溫熱活化從沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）納米晶前體衍生的Fe-N-C催化劑通常存在難以接近的Fe位點，因為大多數活性位點被埋在塊狀碳納米顆粒中。形態限制顯著減輕了用於構建有效活性位點的關鍵三相界面，這需要足夠的離聚物覆蓋率來傳導質子，因此抑制了質子交換膜燃料電池電極內反應物（即O2）的傳質。
基於此，美國紐約州立大學布法羅分校武剛教授和上海交通大學莊小東研究員（共同通訊作者）等人報道了一種設計核-殼複合材料前驅體的有效策略，該核-殼複合材料前體由來自ZIF-8的多面體N摻雜多孔碳核和來自基於Fe(III)-四苯基卟啉氯化物的共軛微孔聚合物的殼組成。
在文中，作者製備的Fe-N-C催化劑，其內核是來自ZIF-8的N摻雜多孔碳多面體，外殼是由氯化鐵(III)-四苯基卟啉生成的共軛微孔聚合物。在高溫熱活化過程中，聚合物殼層分解並重排，在碳核表面形成具有豐富原子Fe位點的Fe-N-C層。通過X射線光電子能譜（XPS）測定，所製備的催化劑的淺分布Fe含量高達2.32 at %。此外，所製備的具有核-殼結構的Fe-N-C催化劑隨着密度的增加，在殼層處含有大部分的原子Fe位點。
獨特的催化劑設計可以縮短H+和O2的擴散距離並促進H2O產物的去除，從而促進厚的無PGM正極中的ORR。因此，具有最佳Fe-N-C催化劑的膜電極組件在0.9 ViR‑free（1.0 bar O2）和0.8 V（1.0 bar空氣）下實現了電流密度為32 mA cm-2和102 mA cm-2，峰值功率密度為0.43 W cm-2（1.0 bar空氣）。該工作提供了一種構建M-N-C催化劑的方法，該催化劑在表面層具有易於訪問的單金屬活性位點，用於ORR和其他電催化反應。
Core-Shell Structured Fe-N-C Catalysts with Enriched Iron Sites in Surface Layers for Proton-Exchange Membrane Fuel Cells. ACS Catal., 2022, DOI: 10.1021/acscatal.2c01358.
https://doi.org/10.1021/acscatal.2c01358.
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