非贵金属催化剂(NPMC)因其在燃料电池中优异的氧还原反应(ORR)性能而在能量转换装置中具有强大的潜力。由于在大多数NPMC材料中，可接近的活性位点在氧电催化中发挥着至关重要的作用，因此最近的研究注意力已转向开发用于ORR应用的含过渡金属的碳基导电和多孔催化剂材料。

一组科学家构建了基于微介孔金属有机骨架(MOF)和碳纳米管(CNT)的碳复合催化剂，在碱性溶液中以最小的催化剂负载量表现出优异的ORR电催化活性。当过渡金属掺入MOF和CNT衍生的碳骨架中时，MNx位点的存在导致催化剂电催化活性增强。

他们的研究成果于2023年9月6日发表在《工业化学与材料》杂志上。

为了减缓全球变暖，目前可再生能源发电领域的研究和开发受到了广泛的关注。在此背景下，在阴极使用O2或空气产生电力的阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)由于其相对温和的操作条件而引起了科学界的广泛关注。然而，阴极氧还原反应(ORR)的缓慢动力学和铂基催化剂的耐久性不足是其实际应用中的显着缺点。

在过去十年中，人们做出了大量努力来开发用于ORR的高活性过渡金属-氮-碳(MNC)型催化剂。人们已经探索了各种基于过渡金属的电催化剂作为在碱性介质中催化ORR的经济有效的材料，尽管如此，确定单金属催化剂作为ORR中Pt族金属催化剂的替代品仍然具有挑战性。双金属电催化剂有望改变电子特性，有利于增强电催化活性。

金属有机框架(MOF)在催化剂调节和结构优化方面具有显着优势，其衍生物通常具有高度分散的活性位点、改进的电荷转移网络和分级孔隙率，可实现反应物的有效传质。研究团队成功制备了基于MOF和碳纳米管(CNT)的铁、钴与氮配位的具有三维微介孔结构的掺杂碳材料的碳复合材料，并将其用于ORR电催化。

他们利用有序锌基沸石-咪唑酯骨架(ZIF)的高温热解来制造具有碳纳米管的微/介孔碳复合材料。利用合成的复合催化剂，该团队在碱性介质(0.1MKOH)中通过实现0.85VvsRHE的半波电位实现了高电催化ORR活性，这超过了Pt/C催化剂的活性。所制备的双金属催化剂在AEMFC中测试时表现出良好的性能，使用Aemion+15μm阴离子交换膜(AEM)实现了171mWcm-2的最大功率密度。

展望未来，研究小组希望他们的工作能够为燃料电池应用的过渡金属和氮共掺杂分级多孔碳基复合催化剂的开发提供见解。

“我们的下一个计划是优化各种MNC型阴极催化剂，以实现AEMFC更高的功率输出。我们开发的非贵金属电催化剂可能会用于各种其他应用，即锌空气电池、质子交换膜燃料电池。”塔尔图大学教授KaidoTammeveski说道。

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