以铁氮碳（Fe-N-C）为代表的非贵金属单原子催化剂（SACs）在质子交换膜燃料电池（PEMFC）应用中展现出巨大潜力。通过对Fe位点的几何和电子结构进行调控，Fe-N-C在三电极体系下已达到可媲美商业Pt/C催化剂的活性。然而，由于单原子在三相界面（TPI）的分子尺度上的失配导致了极低的位点利用率，使得SACs的高本征活性难以转化为实际的电池输出性能。因此，合理设计催化层结构以增加反应物可及的单原子位点密度对于SACs在PEMFC中的实际应用至关重要。
近日，中国科学技术大学团队基于粗粒化分子动力学模拟PEMFC阴极催化层传质过程，提出了大孔和调节的表面亲水性可作为分子水平的“开关”，将离聚物Nafion/水域拉到深处，打破了阴极关键反应物——O2和水合质子的经典传输瓶颈。通过上述结构设计合成的催化剂在膜电极层面的利用率提升了80%，使Fe-N-C在PEMFC中实现了1581 mW cm-2的卓越功率密度，并能够在氢空条件下六万圈加速老化后仍保持63%的性能。相关研究成果以“Alleviating the Misalignment of Fe Single Sites Relative to Triple-Phase Interfaces to Achieve High Performance Fuel Cell”为题，2月3日发表于国际学术期刊《Advanced Materials》。
图1. Fe-N-C催化剂的结构表征
图2. 原位红外光谱探究界面水结构
研究团队首先通过理论计算，预测了能够容纳Nafion聚集体的大孔以及更亲水的催化剂表面可以协同促进连续的质子传输网络的构建，同时更均匀的离聚物分布也显著降低了阴极催化层的氧气传输阻力。然后利用高温熔融盐刻蚀法制备了具有上述特征的亲水多孔碳材料，以验证分子动力学模拟结果的可靠性。团队运用了多种谱学技术联用方法对材料结构和催化过程进行深入分析。原位X射线衍射分析揭示了热解中温度依赖的多孔结构形成过程；同步辐射超小角X射线散射证实了大孔在诱导催化层中离聚物分布中的重要作用；软X射线吸收谱证明了碳材料中C-O官能团的增加，为材料亲水性的增强提供依据；X射线精细吸收结构和X射线发射谱共同确立了两种催化剂中Fe的N配位单原子存在形式，说明器件层面的活性大幅提升并不主要源于位点构型的改变，而是优化的阴极催化层传质通道的建立；原位红外光谱揭示了改性后铁氮碳中氢键网络的增强和界面水结构的变化（阻碍质子传输的孤立水比例显著减少），为模拟预测的质子传输促进过程提供又一直接光谱证据。
此外，研究团队将该方法扩展到多种其他金属-氮-碳材料的合成。燃料电池极化曲线表明，该策略指导合成的Ru-N-C, Co-N-C和Cr-N-C在氢氧和氢空条件下都能观察到峰值功率密度和开路电压的显著改善，证实了将孔结构和表面化学与TPI活化联系起来的设计策略的普适性。
论文的第一作者是中国科学技术大学2025级博士研究生赵纬祎，段晓征研究员、葛君杰教授和姜政教授为论文通讯作者。
上述研究得到了合肥光源（NSRL）和上海光源（SSRF）的宝贵机时支持，同时也得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
