随着能源与环境问题日渐严重，幵发清洁的新能源，发展高效的能源转换装置己成为全世界的研宄热点。燃料电池可以将燃料的化学能高效地转化为电能，是一种绿色、可持续的能源转换技术，被认为是代替化石燃料的不二之选。氧化还原反应（ORR）是燃料电池中的重要反应，而其反应动力学缓慢，需要贵金属作为催化剂。从燃料电池成本上看，一半以上的成本都用在铂（Pt）催化剂上，使得燃料电池的成本一直居高不下。同时Pt催化剂在实际应用过程中还面临一氧化碳（CO）中毒，甲醇耐受性差和溶解迁移等问题，严重延缓了燃料电池的商业化进程^[1]。为此，在不降低催化剂活性的前提下，提高阴极Pt的催化活性降低贵金属的使用量或者用其它非贵金属催化剂完全替代Pt，是降低电池成本的最关键的方法。到目前为止，人们己经发现了金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属隣化物和非金属碳基材料等一系列非Pt的催化剂^[2,3]。其中金属和氮掺杂的碳基复合催化剂（M-N/C，M=Fe，CO等）^[3~6]是最有可能替代Pt的非贵金属催化剂。

目前的Pt催化剂是仍最佳的单金属氧化还原电催化剂，具有很高的活性和耐酸腐蚀性。为了降低Pt的用量，研究人员们设计出各种形貌和结构不同、负载或非负载型的铂、铂合金催化剂，以此来提高铂催化剂的利用率。^[7]例如，将Pt与Au、Ag等贵金属或 Fe、Co、Ni等过渡金属掺杂合成铂合金催化剂，不仅降低了Pt的用量，还改变了Pt的电子结构，使铂合金催化剂的催化活性相比纯铂催化剂提高了2～4倍。^[8]此外，将铂或铂合金纳米粒子分散到导电性良好的碳载体中，也可以有效提高 Pt的利用率和ORR性能。比如，Li^[9]等采用硼氢化钠共还原氯铂酸(H₂PtCl₆)和氧化石墨烯（GO）的方法，成功制备了催化活性和稳定性都有所增强的石墨烯载Pt纳米复合催化剂。

然而，在燃料电池中，铂合金催化剂的热力学性能是不稳定的。铂合金中的过渡金属趋向以去合金化的方式溶入电解质。不同Pt合金由于制备技术和电化学处理方式不同，其泄漏量（或是Pt的浓缩量）和去合金化的厚度也是大不相同的^[10]_。虽然一些具有高级纳米结构的Pt合金显示出了瞩目ORR的催化活性，在燃料电池操作环境中金属的溶解，包括Pt和合金基础金属，可能导致催化剂降解和污染电解质膜,这仍然是一个问题。另一个可能的问题是燃料电池运行中，活性催化剂纳米结构很难保留。

为进一步研发并提高非Pt催化剂的活性和稳定性，许多不同的金属前驱体(Fe、Ni、Co等)、氮源前驱体(大环类物质、含氮分子、含氮气体等)和碳源前驱体(碳载体、有机物分子等)材料被用来制备这类非贵金属催化剂，也称之为M-N-C催化剂。早在1964年，Jasinski^[11]等人发现酞菁钴(PcCo)在碱性条件下具有一定的ORR催化活性。随着研究人员的深入研究，发现中心金属离子的种类与过渡金属大环类化合物催化剂的ORR催化活性具有一定的联系，在所有过渡金属中，含Fe或Co的大环化合物能够构建出具有M-N₄ (M=Fe, Co)核心结构的高催化活性中心，表现出最优的ORR催化性能^[12]_。

l976年，Jahnke^[13]等发现在惰性气体中热处理这些大环类物质制备的非贵金属催化剂可提高催化剂的活性和稳定性。1989年，Gupta^[14]等人热解非大环类的聚丙烯腈和铁盐制备出的催化剂也展示了一定的ORR活性。2005年之后，大量的金属催化剂与Pt-C催化剂的活性接近，研究者的重心转移到催化层的优化，Dodelet#8217;s^[15]的课题组在催化层引入互联的中孔结构，成功合成了一种在电流密度lt;1A/cm²下可以和商业Pt-C催化剂媲美的金属催化剂。2011年，Wu^[16]等人热解了聚苯胺－铁前驱体－碳载体，制备出与Pt-C催化剂活性相当的非贵金属催化剂。2015年制得以石墨为碳为壳的富N核壳型结构催化剂（N-Fe/Fe₃C@C）,其ORR活性高于Pt-C催化剂。^[17]2016年，Hu^[18]等制得的S、Fe、N共掺杂的S-Fe/N/C催化剂，在酸性及碱性条件下都获得较高的ORR活性。

近年来，Wang Wang^[19]等人将氯化钠(NaCl)晶体作为模板，使用氮(N)丰富的聚合物(聚乙烯吡咯烷酮，PVP)作为碳前驱和引入铁盐前体（六水氯化铁，FeCl_³#183;6H₂O）合成了三维类石墨烯结构的大孔Fe-N-C催化剂。研究表明Fe/N掺杂的三维大孔碳催化剂对氧还原反应具有良好的催化性能，有利于大孔隙的传质。

Soo Hong Lee^[20]等人采用电化学分析技术，研究了多孔结构对N掺杂碳电催化活性的影响，并将其应用于高活性、高稳定性的Fe#8722;N#8722;C氧还原反应催化剂。开发了三种氮掺杂的合成方法，研究了它们催化活性的差异与表面积和电化学参数的关系，发现大孔和中孔结构有助于反应动力学的不同阶段。通过加载优化量的Fe来制备Fe-N-C催化剂，进一步提高催化活性。在N掺杂碳和Fe-N-C催化剂中，分级多孔结构改善了酸性和碱性介质中的电催化性能。优化的催化剂在碱性介质中表现出最佳的ORR性能，在阴离子交换膜燃料电池中具有优异的长期稳定性和加速耐久性测试。

尽管根据上述文献看来Fe-N-C催化剂有望替代Pt这类贵金属催化剂，但该类催化剂结构复杂，在酸性溶液中的活性有待提高，对其催化活性中心的理解存在很大争议，制约了更高活性催化剂的设计与幵发。同时，考虑到催化剂的大规模应用，为此我们需要研发几种简单低成本的合成方法，提高Fe-N-C催化剂的活性并使其保持良好的稳定性。

参考文献

[1] 孙照楠. 燃料电池非铂催化剂研究[D].北京化工大学,2017.

[2] 杨耀彬,丁超.燃料电池非贵金属催化剂的研究进展[J].化学通,2016,79(11):1012-1015.