Pt 基催化剂是目前氧还原反应（ORR）性能最好的催化剂，但 Pt 是贵金属，地质储量少，价格昂贵，限制了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的发展。根据美国能源部（DOE）的目标，PEMFCs 的催化剂层中的 Pt 负载必须低于 0.125 mg/cm²。在过去的十年中，在不牺牲性能的情况下，降低阴极 Pt 负载量一直是 PEMFC 的一个挑战。

　　其核心的科学问题在于：离聚物在催化剂中的分布往往是不均匀的，氧气通过 Pt 与离聚物界面的传质阻力会大大增加能源损耗，负载在碳基载体中的 Pt 会影响氧气的传质进而影响燃料电池的总体性能，通过降低 Pt 的负载量又会导致高电压损耗。

　　因此，在不影响本征活性的前提下，如何设计多孔碳材料，调控碳材料的孔径尺寸分布，同时降低 Pt 负载量是科研工作者的重中之重，其核心就在于提高传质速率，即提高碳孔道内负载的 Pt 颗粒与质子和氧气的接触。

　　在这个背景下，北京理工大学王博教授团队精细调控了氮掺杂 MOF 基碳材料的介孔尺寸，实现了低 Pt 燃料电池的优异性能，该工作发表在 Advanced Functional Materials 期刊上。

　　碳材料的介孔结构在电催化剂设计中起着重要的作用。构建可调介孔的碳载体一直是一个挑战。这里，北京理工大学王博教授团队通过改变不同粒径金属（MET）骨架的热解速率，精细调控了氮掺杂碳材料中介孔尺寸。较小的颗粒尺寸在较高的热解速率下分解更剧烈，产生了大量气体，从而导致衍生物中的介孔尺寸更大，因此获得了一系列具有可控介孔结构的氮掺杂碳材料。作为概念验证，超细小的 Pt 纳米颗粒嵌入在这些介孔中，以获得用于氧还原反应（ORR）的高性能电催化剂。在燃料电池阴极 Pt 负载量为 0.05 mgPt cm-2 的情况下，优化后的催化剂达到了 1.52 A mgPt-1 的高质量活性和 0.8 W cm-2（H₂-Air）的峰值功率密度，这也显示了具有可控介孔的 MET 衍生碳材料在制备先进电催化剂方面的巨大优势。

　　具有高比面积的分级多孔碳（HPC）材料，由于其高的稳定性和电导率，以及在超级电容器中存储和运输电解质离子的优越能力，在能量存储和转换领域得到了广泛的应用。同时，介孔已被证明是电化学过程中反应物和产物的关键传质通道，这引起了人们极大的兴趣。基于这些需求，近年来，人们对高性能 HPC 的开发投入了大量的精力，开发了嵌段共聚物、聚苯乙烯球和 SiO₂ 球等软硬模板，以获得具有有序介孔的 HPC。合成后蚀刻法是一种基于 H₂O 和 CO₂ 等气体分子与碳在高温下反应的方法，也被用于扩大碳中的孔隙和用官能团修饰碳表面。然而，由于模板种类的限制和刻蚀过程的不均匀性，难以实现对介孔尺寸的精细调控。到目前为止，以一种简单、可控的方式调控碳材料的多孔结构仍然是一个挑战。

　　金属有机框架（MOFs），由于其可调的复合结构使衍生碳材料具有多种杂原子掺杂和高孔隙率等独特优势，被证明是制备能量转换电催化剂的优异的牺牲前驱体。大多数 MOF 衍生的碳材料继承了原始 MOF 的微孔孔径结构，通过在高温下挥发 Zn 原子等金属节点来进一步提高微孔隙。同时，MOF 衍生物在热解过程中形成的金属纳米颗粒（NPs）可以通过酸洗去除，进而形成微孔和介孔。一些研究报道了 MOF 衍生的具有介/大孔的 HPC，主要是基于上述模板或合成后蚀刻的方法得获得的。值得注意的是，尽管人们已经探索了各种策略来调整 MOF 衍生的 HPC 的孔隙结构，但配体的重要作用却很少受到关注，而且对 MOF 衍生碳基材料的介孔的调控研究也很少被报道。

　　首先，通过调节溶剂热合成条件，制备了 3 种不同粒径的 MET(Zn) 样品，并将样品命名为 MET(Zn)x（x = 200、100、30）。通过调节氩气氛下 MET(Zn)x 的热解速率得到不同孔径的材料（NCx）。然后，通过气相扩散法将 Pt 前体的蒸汽引入 NCx 中，然后进行高温煅烧，在这些介孔碳基质中形成了 Pt NP（Pt/NCx）。最后，在 NH₃ 气氛中加热 Pt/NCx，刻蚀覆盖在 Pt 纳米颗粒上的碳壳，加深碳骨架中的孔隙深度（E-Pt/NCx）。

　　表征结果证明，在不使用模板或后刻蚀的情况下，轻松实现了 MOF 衍生的 N 掺杂碳材料孔隙结构的可控调节。同时发现在退火过程中，NH₃ 的蚀刻会使碳骨架的孔隙深度加深，而不是扩大孔径。

　　在燃料电池测试中，在燃料电池阴极 Pt 负载量为 0.05 mgPt-2 的情况下，优化后的催化剂达到了 1.52 A mgPt-1 的高质量活性和 0.8 W cm-2 (H₂-Air)的峰值功率密度。同时，高 ECSA 和 EPSA 成功地证明了在介孔中负载细小的 Pt 纳米颗粒的优势。

　　综上所述，作者在不使用模板或后蚀刻方法的情况下，通过调节 MET(Zn) 的粒径和热解速率，精心调控 MET 衍生的 N 掺杂碳的介孔结构。不同的热传递速率对有机配体的分解起着至关重要的作用，这导致了碳基质介孔尺寸的巨大差异。因此，得到了一系列组成相同但不同孔径的介孔 N 掺杂碳材料。为了证明该方法的优越性，超细 Pt 纳米颗粒均匀地分散在这些介孔中，并在低 Pt 燃料电池中表现出较高的活性。此碳材料介孔结构的调控策略为制备高性能的电催化剂和研究电化学过程中的传质开辟了新的途径。

　　王博，北京理工大学教授、博导，校党委常委、副校长，高能量物质前沿科学中心主任。国家杰出青年科学基金项目获得者。入选国家“万人计划”领军人才、国家创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。获 2023 年教育部自然科学一等奖、“科睿唯安世界高被引科学家”、“爱思唯尔中国高被引学者”、“中国化学会青年化学奖”、北京青年五四奖章等荣誉。担任教育部科技委委员、中国科协常务委员、科技部氢能专项总体组专家、APL Materials 主编、国际 IZA 学会 MOF 常务理事、中国化学快报、中国化学学报等杂志编委等。

　　王璐，北京理工大学特别副研究员。于北京理工大学取得化学专业学士学位和博士学位，导师为王博教授。博士期间于美国麻省理工学院 Mircea Dincă 教授课题组联合培养。现主要从事功能多孔材料的功能性设计与可控制备、及其在燃料电池和氢能中的应用研究。迄今发表二十余篇 SCI 论文，包括 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Chem. Mater. 等期刊，含两篇 ESI 高被引论文（Top 1%）。获 2023 年教育部自然科学一等奖、中国颗粒学会优秀博士学位论文奖等荣誉。

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