📄 本實驗室論文

Revealing the operando ORR mechanism of single-atom catalysts anchored in nanobowl structures for advanced hydroxide exchange membrane fuel cells

揭示錨定於奈米碗結構之單原子觸媒的 operando 氧還原反應機制——用於先進氫氧化物交換膜燃料電池

Chemical Engineering Journal, 528 (2026) 172462 (Elsevier) | DOI: 10.1016/j.cej.2025.172462

作者：Sun-Tang Chang, Hui-Xin Liu, Yi-Ching Chu, Ying-Rui Lu, Chen-Hao Wang*

📄 英文摘要

This study utilizes advanced operando techniques, focusing on wavelet transform (WT), Raman spectroscopy, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), to unravel the atomic-scale mechanism of the oxygen reduction reaction (ORR) in a novel Fe single-atom nanobowl (Fe-SANb) catalyst. By integrating operando X-ray absorption spectroscopy (XAS), WT, Raman, and EIS analyses, this work reveals the dynamic interactions between Fe active sites and oxygen intermediates under realistic operating conditions. The operando Raman spectra clearly display the emergence of the O–Fe–N stretching band, confirming the oxygen bonding process. The Tafel plot demonstrates the excellent catalytic activity of Fe-SANb, showing a low slope of 78.85 mV dec⁻¹. The Fe-SANb catalyst achieves a peak power density of 554.2 mW cm⁻² and retains 95% of its performance after 30,000 cycles, rivaling commercial Pt/C catalysts.

📄 中文摘要

本研究運用先進的 operando 技術，結合小波轉換（WT）、拉曼光譜及電化學阻抗譜（EIS），來揭示一種新型鐵單原子奈米碗（Fe-SANb）觸媒中氧還原反應（ORR）的原子尺度反應機制。Operando 拉曼光譜清晰顯示 O–Fe–N 拉伸峰的出現，確認了氧鍵結過程。塔菲爾圖顯示 Fe-SANb 具有優異的觸媒活性，塔菲爾斜率低至 78.85 mV dec⁻¹。整體而言，Fe-SANb 觸媒達成了 554.2 mW cm⁻² 的巔峰功率密度，並在 30,000 次循環後仍維持 95% 的性能，可與商業 Pt/C 觸媒相媲美。

🔬 五項核心重要發現

3% Fe 為最佳載量：起始電位 0.96 V，塔菲爾斜率 78.85 mV dec⁻¹，電子轉移數 n ≈ 3.95（四電子路徑）。

Operando Raman 直接觀測 O–Fe–N 拉伸峰（598 cm⁻¹ @ 1.0 V vs. RHE），確認氧鍵結於 Fe-N 活性位點。

WT-EXAFS 捕捉 Fe-O-O 瞬態交互作用（~3 Å⁻¹），揭示 ORR 反應機制的電位依賴性。

功率密度 554.2 mW cm⁻²，30,000 次循環後維持 95% 性能，穩定性是 Pt/C 的 2 倍。

Graphitic-N + thiophene-S 協同，優化 Fe-N 電子結構與 O₂ 吸附穩定性。

📊 關鍵圖表

圖 1：Fe-SANb 觸媒之結構與形態特徵，顯示奈米碗結構中 Fe 单原子均勻分散於氮摻雜碳載體上。

圖 2：Fe-SANb 觸媒之 ORR 性能與耐久性：極化曲線、功率密度曲線及 30,000 次循環前後性能對比。