东北大学的研究人员创建了一种可靠的方法来预测新型有前途的催化剂的性能。他们的突破将加速用于碱性和酸性环境的高效催化剂的开发，从而在未来创造更好的燃料电池的努力中节省时间和精力。

他们的研究细节发表在2024 年 3 月 15 日的《化学科学》杂志上。

燃料电池技术长期以来一直被誉为清洁能源的一种有前景的途径，但催化剂效率方面的挑战阻碍了其广泛采用。

分子金属氮碳(MNC)催化剂具有独特的结构特性和优异的电催化性能，尤其适用于燃料电池中的氧还原反应(ORR)。它们为铂基催化剂提供了一种经济高效的替代品。

MNC 催化剂的一种变体是金属掺杂的氮杂酞菁 (AzPc)。它们具有独特的结构特性，其特征是长拉伸官能团。当这些催化剂被放置在碳基底上时，它们呈现出三维形状，就像舞台上的舞者一样。这种形状变化会影响它们在不同 pH 水平下的 ORR 效果。

尽管如此，将这些有益的结构特性转化为更高的性能仍然是一项挑战，需要大量的建模、验证和实验，而这需要大量资源。

“为了克服这个问题，我们使用计算机模拟来研究碳载 Fe-AzPcs 催化剂在氧还原反应中的性能如何随不同 pH 水平而变化，通过观察电场如何与 pH 值和周围官能团相互作用，”李浩，东北大学材料高级研究所(WPI-AIMR)副教授，论文通讯作者。

在分析 Fe-AzPcs 在 ORR 中的性能时，Li 和他的同事将大型分子结构与复杂的长链排列或“舞蹈图案”(具有超过 650 个原子的排列)结合在一起。

至关重要的是，实验数据表明 pH 场耦合微动力学模型与观察到的 ORR 效率密切匹配。

Li 补充道：“我们的研究结果表明，评估 Fe 位点(Fe 原子通常失去大约 1.3 个电子)发生的电荷转移，可以作为识别 ORR 周围合适官能团的有用方法。” “我们基本上为微动力学模型创建了直接基准分析，以确定在各种 pH 条件下有效的 ORR MNC 催化剂。”