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备受关注的燃料电池的正极反应为氧还原反应(ORR)，高效ORR催化剂成为研究热点。本论文通过密度泛函理论(DFT)计算，设计并筛选出了具有Fe-N-C单原子活性位点的高效ORR催化剂结构。针对优化设计的催化剂结构，采用课题组自主开发的有机分子裁剪-自组装-重构气相沉积(TSRVD)技术，合成出了高效稳定的ORR催化剂。通过SEM、TEM、XRD、Raman、XPS以及XAFS等技术，对催化剂的形貌及结构进行了表征。采用LSV、CV、Tafel、EIS及i-t等电化学测试方法对合成催化剂的性能进行了研究。
通过DFT计算，建立了不同Fe-Nx活性位嵌入碳六元环结构中的催化剂模型，计算了电子结构及ORR活性。结果表明，催化剂模型的形成能Ef随着N原子数的增加而降低。ORR涉及的关键含氧物种(*O、*OH和*OOH)的吸附自由能呈比例关系。Fe-2N-2C-pen的理论过电位为0.652V，其ORR速度控制步骤为*O向*OH的转化。适度的N掺杂水平和掺杂结构可以增强双空位Fe-N配位结构的ORR活性，而N原子掺杂对单空位的ORR活性无效。N原子掺杂引起的配体效应和表面张力效应均有助于优化Fe原子的d带中心。
针对DFT设计的Fe-N5活性位结构，以酞氰铁(FePc)为前驱体，采用TSRVD技术在石墨烯基底上合成出了ORR性能优异的纳米线催化剂Fe-N-C/G-120。研究表明，合成的纳米线催化剂具有完全不同于前驱体FePc的层状晶体结构,其中的Fe(Ⅱ)与其周边位于同一平面上的四个N原子以及相邻层的一个N原子配位，形成Fe-N5活性位点。分析认为，TSRVD合成过程中，前驱体FePc分子经历了脱氢、自组装和重构过程形成催化剂的晶体结构。在25℃、0.1MKOH溶液中催化剂Fe-N-C/G-120的ORR为高效的四电子过程。
在不同温度和压力条件下分别合成了具有纳米柱、纳米线和纳米颗粒三种形貌的Fe-N-C催化剂。管式炉中的高压显著抑制FePc分子的升华以及催化剂的成核，并促使催化剂沿石墨烯基底表面线状生长，最终形成催化剂的结晶度差。相反，低压促进PcFe分子升华及随后催化剂成核，导致催化剂沿垂直于石墨烯基底表面的方向柱状生长且具有高的结晶度。另外，在低压条件下催化剂的生长形貌取决于温度。低温导致能量和迁移率降低，从而限制晶粒的生长并形成颗粒状的催化剂。
通过DFT计算，建立了不同Fe-Nx活性位嵌入碳六元环结构中的催化剂模型，计算了电子结构及ORR活性。结果表明，催化剂模型的形成能Ef随着N原子数的增加而降低。ORR涉及的关键含氧物种(*O、*OH和*OOH)的吸附自由能呈比例关系。Fe-2N-2C-pen的理论过电位为0.652V，其ORR速度控制步骤为*O向*OH的转化。适度的N掺杂水平和掺杂结构可以增强双空位Fe-N配位结构的ORR活性，而N原子掺杂对单空位的ORR活性无效。N原子掺杂引起的配体效应和表面张力效应均有助于优化Fe原子的d带中心。
针对DFT设计的Fe-N5活性位结构，以酞氰铁(FePc)为前驱体，采用TSRVD技术在石墨烯基底上合成出了ORR性能优异的纳米线催化剂Fe-N-C/G-120。研究表明，合成的纳米线催化剂具有完全不同于前驱体FePc的层状晶体结构,其中的Fe(Ⅱ)与其周边位于同一平面上的四个N原子以及相邻层的一个N原子配位，形成Fe-N5活性位点。分析认为，TSRVD合成过程中，前驱体FePc分子经历了脱氢、自组装和重构过程形成催化剂的晶体结构。在25℃、0.1MKOH溶液中催化剂Fe-N-C/G-120的ORR为高效的四电子过程。
在不同温度和压力条件下分别合成了具有纳米柱、纳米线和纳米颗粒三种形貌的Fe-N-C催化剂。管式炉中的高压显著抑制FePc分子的升华以及催化剂的成核，并促使催化剂沿石墨烯基底表面线状生长，最终形成催化剂的结晶度差。相反，低压促进PcFe分子升华及随后催化剂成核，导致催化剂沿垂直于石墨烯基底表面的方向柱状生长且具有高的结晶度。另外，在低压条件下催化剂的生长形貌取决于温度。低温导致能量和迁移率降低，从而限制晶粒的生长并形成颗粒状的催化剂。