质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效清洁的能源转换特性，被视为替代传统化石燃料的关键技术。然而，其阴极氧还原反应(ORR)依赖昂贵的铂基催化剂，大幅提高了成本。近年来，铁-氮共掺杂碳(Fe-N-C)非贵金属催化剂成为研究热点，但仍面临酸性环境活性低、稳定性差及传质阻力大等挑战。

为此，山西大学李亚伟团队等人，创新性地将离子液体(IL)浸渍至多孔Fe-N-C催化剂中，显著提升了电极动力学性能与传质效率。相关成果发表于《Chinese Journal of Catalysis》(IF = 15.7)，为燃料电池非贵金属催化剂的实用化提供了新策略。

图1 顺序沉积法制备Fe-N-C/IL复合材料示意图（图片来源：Chin. J. Catal.）

首先，团队采用顺序沉积法，将离子液体[BMIM][beti]（1-丁基-3-甲基咪唑双(全氟乙基磺酰)亚胺）精准负载至Fe-N-C孔隙内（图1）。该方法通过分步吸附阴、阳离子前驱体，在催化剂表面及内部形成均匀的IL薄膜，确保了活性位点与IL的充分接触。

图2. IL修饰后ORR性能提升，H₂O₂产率降低与电子转移数提升（图片来源：Chin. J. Catal.）

半电池测试显示，IL的引入显著抑制了有害副产物H₂O₂的生成（图2），将ORR路径从2电子反应优化为4电子反应：H₂O₂产率降低35%，减少碳载体腐蚀和铁活性位流失；同时催化剂稳定性提升，加速衰减测试后活性损失仅79%（对照组达96%）。

图3. 燃料电池实际性能提升（图片来源：Chin. J. Catal.）

在膜电极(MEA)测试中，Fe-N-C/IL复合催化剂展现出显著优势（图3）：电流密度区域性能提升：在0.3 V电压下，电流密度比未修饰催化剂提高35% (H₂/Air)和21% (H₂/O₂)；低湿度适应性增强：50%湿度条件下性能提升幅度最大，解决了传统Fe-N-C在干燥环境中活性骤降的痛点。

图4. IL对催化层质子传导的影响，以及低湿度下IL优化质子传输路径示意图（图片来源：Chin. J. Catal.）

在工作机理分析上，该研究发现IL在低湿度条件下形成“质子桥”，降低质子传输阻力（图4）。在50%湿度下，质子传递阻力减少114 mΩ·cm²。

图5. IL氧气传质强化机制（图片来源：Chin. J. Catal.）

而且，IL的高氧溶解性和疏水性增强了孔道内氧气富集（图5）。分子动力学模拟显示，IL使O₂分子紧密吸附于催化剂表面（距离缩短至3.6 Å），传质效率提升40%。

总之，该研究通过离子液体与Fe-N-C的协同作用，实现了非贵金属催化剂在酸性环境中的高效稳定运行，为替代铂基材料提供了可靠路径。提出的“离子液体修饰多孔催化剂”策略可扩展至其他能源转化技术，推动低成本催化剂的广泛应用。通过优化传质和反应动力学，该研究成果也为降低燃料电池系统成本、加速清洁能源普及提供了重要思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/S1872-2067(25)64654-7

原文作者：

Siming Li, Enyang Sun, Pengfei Wei, Wei Zhao, Suizhu Pei, Ying Chen, Jie Yang, Huili Chen, Xi Yin, Min Wang, and Yawei Li

DOI: 10.1016/s1872-2067(25)64654-7

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