Berhanu Telay Mekonnen, Daniel Manaye Kabtamu, Sun-Tang Chang, Guan-Cheng Chen,
Amil Aligayev, Francisco Javier Dominguez-Gutierrez, Yao-Ming Wang, Sheng-Yu Wang,
Wenyi Huo*, and Chen-Hao Wang*
ACS Applied Materials & Interfaces 2026, 18, 24456−24470
國立臺灣科技大學 材料科學與工程系 王丞浩教授
開發高效且低成本的氧還原反應（ORR）與氧析出反應（OER）雙功能電催化劑，是推動燃料電池與可充式金屬-空氣電池等永續能源技術商用化的核心關鍵。然而，ORR 與 OER 緩慢的反應動力學以及對昂貴貴金屬（如 Pt、RuO2）的依賴，極大地限制了其實際應用。本研究針對此挑戰，成功開發出一款新型非貴金屬雙功能電催化劑（SnFe/SNC_850）。研究團隊以類石墨相氮化碳（g-C3N4）與硫脲為結構與雜原子前驅體，透過簡便的一步熱裂解策略，構築出獨特的竹節狀管狀碳骨架，並成功將錫-鐵（Sn-Fe）雙金屬奈米顆粒錨定其中。
在鹼性介質中，該催化劑展現出卓越的雙功能電催化活性與超群的耐用性。在 ORR 方面，其半波電位 (E1/2) 達 0.86 V vs. RHE，顯著超越商業鉑碳 (Pt/C) 催化劑；在 OER 方面，僅需 340 mV 的過電位即可達到 10 mA cm-2 的電流密度。此外，經歷 30,000 次電化學循環加速老化測試後，其活性幾乎無衰減。更重要的是，將此催化劑實際應用於陰離子交換膜燃料電池陰極時，單電池的最大功率密度較商業 Pt/C 元件提升了 65%。結合 X射線吸收光譜、X射線光電子能譜與密度泛函理論計算，深入揭示了其微觀催化機制。結果表明，優異的催化活性源於摻雜碳骨架中原子級分散的 Fe-Nx / Fe-Sx 活性位點，與被碳層包覆的 Fe3SnC / FeS 雙金屬奈米相之間的強烈電子協同效應。主族金屬 Sn 的引入有效調控了鄰近 Fe 活性中心的電子結構，優化了氧還原與氧析出反應中間體的吸附能。本工作不僅展示了一種具備高實用價值的非貴金屬催化劑，更為下一代清潔能源轉換元件的催化劑設計提供了深刻的理論指導與嶄新思路。