Fe-N-C（鐵-氮-碳）電催化劑已成為用于氧還原反應（ORR）的貴金屬基材料的有效替代品。然而，這些材料在電化學條件下的結構尚不清楚，并且它們在酸性環境中的較差穩定性對成功應用于商業燃料電池構成了巨大挑戰。為了對這些復雜現象提供分子水平的見解，普渡大學Jeffrey Greeley結合了周期密度泛函理論（DFT）計算、對ORR反應中間體（包括O和OH）的共吸附效應進行了詳盡分析，以及溶劑化穩定效應的綜合分析，以構建描述活性位點原位結構的電壓相關從頭算熱力學相圖。
本文要點：
1) 這些結構進一步與活性和穩定性描述符聯系在一起，這些描述符可以與實驗參數進行比較，例如ORR的半波電位和碳腐蝕和CO2析出的起始電位。結果表明，與本體中的位點相比，鋸齒形碳邊緣處的吡啶基Fe位點以及其他邊緣位點對ORR表現出高活性。
2) 然而，與活性位點相鄰的邊緣易于通過過氧化和隨后的位點損失而不穩定。結果表明，合成具有小尺寸和大邊緣長度的Fe-N-C催化劑可以提高ORR活性，而在燃料電池操作過程中應限制電壓波動以防止過度氧化邊緣的碳腐蝕。
Ankita Morankar et.al A first principles analysis of potential-dependent structural evolution of active sites in Fe-N-C catalysts PNAS 2023
DOI: 10.1073/pnas.2308458120
https://doi.org/10.1073/pnas.2308458120
