← 回到燃料電池研究領域
📄 本實驗室論文

Atomically dispersed Co-Nx sites anchored on t-ZrO2-embedded porous carbon derived from MOF-808 for enhanced oxygen reduction in alkaline media

以 MOF-808 衍生的嵌入 t-ZrO2 多孔碳錨定原子分散 Co-Nx 位點用於提升鹼性介質中氧還原反應

International Journal of Hydrogen Energy, 235 (2026) 155243 (Elsevier) | DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155243
作者:Berhanu Telay Mekonnen, Yi-Kang Rong, Sun-Tang Chang, Guan-Cheng Chen, Aknachew Mebreku Demeku, Liang-Yun Li, Chen-Hao Wang*

📄 英文摘要

Developing efficient, durable non-precious-metal catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is critical for alkaline anion-exchange membrane fuel cells (AEMFCs). We report MOF-Co-900-NH3, featuring atomically dispersed Co-Nx sites in a nitrogen-doped carbon matrix anchored on tetragonal ZrO2 nanodomains. Synthesized via MOF-templated stabilization and NH3 activation, it exhibits a half-wave potential of 0.81 V and exceptional durability (only a 35 mV shift after 30,000 cycles), outperforming commercial Pt/C. In AEMFC tests, it delivers a peak power density of 359.2 mW cm-2, surpassing the Pt/C benchmark. Spectroscopic analyses reveal that NH3 activation optimizes the electronic structure of Co-Nx moieties, thereby improving charge transfer. This superior performance stems from the synergy among enriched Co-Nx sites, robust oxide-carbon interfaces, and hierarchical porosity, thereby establishing a viable strategy for next-generation Pt-free electrocatalysts.

📄 中文摘要

開發高效、耐用的非貴金屬觸媒,對鹼性陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)的氧還原反應(ORR)至關重要。本研究報告 MOF-Co-900-NH3,其特點為原子分散的 Co-Nx 位點錨定於氮摻雜碳矩陣中的四方晶 ZrO2 奈米域。透過 MOF 模板穩定化與 NH3 活化合成,該觸媒展現 0.81 V 的半波電位及卓越的耐久性(30,000 次循環僅偏移 35 mV),超越商業 Pt/C。在 AEMFC 測試中,其巔峰功率密度達 359.2 mW cm-2,超越 Pt/C 基準。光譜分析揭示 NH3 活化優化了 Co-Nx 結構的電子態,提升了電荷轉移效率。此卓越性能源自於豐富 Co-Nx 位點、強健氧化物-碳介面與層次孔隙三者間的協同作用,為下一代無鉑電觸媒提供了可行策略。

🔬 五項核心重要發現

1
MOF-Co-900-NH3 觸媒命名由來:以 MOF-808 為前驅體,經 MOF 模板穩定化與 NH3 活化後高溫熱解,形成錨定於四方晶 ZrO2 奈米域的原子分散 Co-Nx 活性位點。
2
半波電位 0.81 V vs. RHE:超越商業 Pt/C 觸媒,電子轉移數 n ≈ 3.95(近乎四電子路徑)。
3
30,000 次循環僅偏移 35 mV:耐久性遠優於商業 Pt/C(ΔE1/2 = 50 mV)。
4
AEMFC 功率密度 359.2 mW cm⁻²:超越 Pt/C 基準(326.9 mW cm⁻²),具實際燃料電池應用價值。
5
NH3 活化優化電子結構:光譜分析證實 NH3 活化調整 Co-Nx 的電子態,提升電荷轉移效率,強化 Co-Nx sites、ZrO2-C 介面與層次孔隙三者的協同作用。

📊 關鍵圖表

圖 1:MOF-Co-900-NH3 觸媒之合成流程示意圖
圖 1. MOF-Co-900-NH3 觸媒之合成流程示意圖。
圖 2:(a-c) 不同熱解溫度之 SEM 影像及 (d) XRD 結構分析
圖 2. SEM 影像:(a) MOF-Co-800-NH3、(b) MOF-Co-900-NH3、(c) MOF-Co-1000-NH3 及 (d) XRD 圖譜。
圖 3:(a) 拉曼光譜與 (b,c) N2 吸脫附及孔徑分布
圖 3. (a) 拉曼光譜與 (b) N2 吸脫附等溫線及 (c) 孔徑分布曲線。
圖 4:(a-d) TEM/HRTEM/HAADF-STEM 結構與 (e-i) EDS 元素分布映射
圖 4. (a) TEM、(b,c) HRTEM、(d) HAADF-STEM 及 (e-i) C/N/Co/O/Zr EDS 映射。
圖 5:(a,b) N1s、(c,d) Co2p XPS 光譜及 (e) O1s、(f) EPR 圖譜
圖 5. 高解析 N1s 與 Co2p XPS 光譜,以及 O1s 與 EPR 圖譜。
圖 6:Co K-edge XAS 分析:(a) XANES、(b) FT-EXAFS 及 (c) 擬合曲線
圖 6. Co K-edge XAS:(a) XANES、(b) FT-EXAFS 及 (c) 擬合曲線。
圖 7:(a) 極化曲線、(b) 電子轉移數與 H2O2 產率、(c) Tafel 圖及 (d) EIS
圖 7. (a) 極化曲線、(b) 電子轉移數 n 與 H2O2 產率、(c) Tafel 圖及 (d) EIS。
圖 8:30,000 次 ADT 耐久性測試:(a) MOF-Co-900-NH3 與 (b) Pt/C 性能衰減對比
圖 8. ADT 耐久性測試:30,000 次循環後 (a) MOF-Co-900-NH3 與 (b) 20% Pt/C 性能衰減對比。