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碳基負載的鐵單原子催化劑（Fe SAC）是質子交換膜燃料電池的非鉑催化劑，其催化性能很大程度上依賴于催化劑中活性位點的數量和利用率，很多催化劑面臨活性位點數量低和利用率低的雙重挑戰。因此，以具有三維立方孔道結構和超高比表面積的金屬有機框架材料(MOF-5)為前驅體，合成鐵單原子催化劑Fe SAC-MOF-5，進而提高活性位點利用率。

首先，C-MOF-5超高的比表面積（2751 m2g-1）為活性位點FeNx提供了足夠的容納空間，使得Fe SAC-MOF-5催化劑中Fe含量高達2.35%。其次，C-MOF-5中豐富的介孔使得其具有高外比表面積（1651 m2g-1），有助于充分暴露催化劑中FeNx位點，大大提高了活性位點的利用率。


先將具有三維孔道結構的金屬有機框架材料(MOF-5)在氮氣氣氛下經1100 ℃高溫煅燒，可得多孔碳載體C-MOF-5，再將Fe(II)-鄰菲羅啉絡合物（Fe(phen)32+）均勻地吸附在碳載體的內外表面。經冷凍干燥和二次熱解之后，制備了Fe SAC-MOF-5。如上圖所示：Fe SAC-MOF-5保持了C-MOF-5的形貌和孔結構，通過球差電鏡可觀測到，Fe原子在碳載體上呈現原子級高密度分布，ICP測試結果表明，Fe SAC-MOF-5中Fe含量高達2.35%。

在Fe SAC-MOF-5中未發現與鐵顆粒或化合物相關的衍射峰，表明超高比表面積碳載體能夠在高溫煅燒過程中發生團聚。擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)和小波變換的EXAFS結果均表明Fe SAC-MOF-5具有類卟啉結構，在Fe SAC-MOF-5中，鐵單原子以FeNx的形式存在，每個鐵原子周圍配位4個N原子。

鐵單原子催化劑在酸性電解液中可高效驅動ORR，并在PEMFC中具有很大應用潛力，峰值能量密度可達0.84 W cm-2。可以提高ORR催化劑活性位點數量和利用率，為更多具有超高比表面積的MOF前驅體衍生的金屬單原子催化劑做鋪墊。


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