氧還原反應(ORR)是陰極質子交換膜(PEM)燃料電池的一個重要過程，決定了其整體性能和耐久性。由于ORR在酸中反應動力學緩慢，目前的陰極催化劑仍以鉑及其合金為主。

然而，鉑催化劑的稀缺性和高成本嚴重阻礙了質子交換膜燃料電池的大規模商業化。因此，迫切需要開發具有高催化活性和良好耐久性的不含鉑族金屬(PGM)的替代催化劑，使PEM燃料電池能夠用于大規模生產和其他應用。

基于此，紐約州立大學布法羅分校武剛和華南理工大學廖世軍等將Zr和Fe雙金屬中心共摻雜到ZIF-8衍生的介孔碳中(Fe/Zr?N?C)，顯著提高了ORR的耐久性。

實驗結果表明，所制備的Fe/Zr?N?C催化劑的半波電位為0.872 V_RHE，僅比商業Pt/C催化劑(60 μg_Pt cm^?2)低11 mV；ORR活性也顯著提高，在H₂/空氣條件下獲得了0.72 W cm^?2的最大功率密度。

并且該ORR陰極催化劑膜電極組體在恒定電流密度下連續運行20小時后，電壓只衰減了25%；經過100 h的延長試驗，Zr摻雜的Fe-N-C催化劑保持了40%的初始性能，優于未摻雜Zr的催化劑(僅運行20 h活性損失達70%以上)。

密度泛函理論(DFT)計算表明，穩定性的提高可歸因于Zr-N_x基活性中心的形成，與Fe-N_x基活性中心相比，Zr-N_x基活性中心具有更強的耐酸性。此外，Zr位點摻雜抑制了H₂O₂的生成，從而減輕了碳和活性位點的氧化；Zr和Fe之間可能的協同作用可以使Fe中心更耐酸。

此外，由于形成了一個新的雙金屬位點(可能是N₂(N)?Fe?N₂?Zr?N₂(O₂))，原子中心的引入也大大提高了ORR的反應速率。該項工作中所提出的策略可進一步提供設計用于其他關鍵電催化過程的雙金屬中心催化劑，例如氧還原為H₂O₂、CO₂還原和氮氣還原等電化學反應。

Promoting ZIF-8-Derived Fe–N–C Oxygen Reduction Catalysts via Zr Doping in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Durability and Activity Enhancements. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.2c06118