本專題主要針對非貴重金屬觸媒的效能做探討，首先，以電化學測試觸媒的 陰極氧氣還原活性、電子轉移數和雙氧水產生率，從此測試可以簡單的判斷不同 熱處理下的觸媒的效能表現差異，接著，進行 X 光繞射光譜圖分析(XRD)、X 光 光電子能譜儀分析(XPS)、X 光吸收光譜分析(XAS)，透過上述分析，不僅可以 更確定氧氣還原活性測試的結果，還能更深入的說明影響不同熱處理程度的觸媒 表現出來之效能差異的原因，最後，將非貴重金屬觸媒塗於陰極碳布上應用於全 電池，做全電池效能測試與電池穩定性測試，以此評估整體的應用性。
4-1IUC(Iron-Urea-Carbon)觸媒的氧氣還原特性以及能力
首先在下圖 4-1 所示為此觸媒 IUC(Iron-Urea-Carbon)的氧氣還原反應圖，根 據此圖結果可以跟明顯看到此觸媒最佳的氧氣還原能力為 700 W 和熱處理 4 min，
在 0.2V vs. RHE 的氧氣還原電流中，可以發現最佳處理條件為 700W 和熱處理 4 min，其電流密度為 5.5 mA cm-2，再其次為 700W 和熱處理 3 min、700W 和熱 處理 5 min、700W 和熱處理 2 min，最後才是 700W 和熱處理 1 min。其電流密 度分別為 4.8、4.2、4 及 3.5 mA cm-2，而過氧化氫的氧化電流亦是如此，分別 0.0035、0.0058、0.0071、0.0340 以及 0.0410 mA，再經過下列方程式(一)以及(二) 的計算後，可以得到電子轉移數 n，以及 H2O2的氧化比例。在此發現 700 W 和 熱處理 4min 觸媒經過氧氣還原反應後的電子轉移數為 3.96，其過氧化氫比例僅 1.5%，再其次為 700 W 和熱處理 3 min、700 W 和熱處理 5 min、700W 和熱處理 2 min、700 W 和熱處理 1 min，其電子轉移數分別為 3.94、3.92、3.64、3.52 等，
其過氧化氫比例分別為 3%、4%、18%以及 24%等，從以上結果發現 IUC 觸媒處 理至 700 W 和熱處理 4 min 時是最適合當作燃料電池的陰極端觸媒，至於其原因 以及真正效能會在後面材料分析以及全電池測試部分做詳盡探討。
𝑛 = 4𝐼𝑑 𝐼𝑑+𝐼𝑟
𝑁
… Equation (1)
%𝐻2𝑂2=
2𝐼𝑟 𝑁
𝐼𝑑+𝐼𝑟
𝑁
× 100% … Equation (2)
圖 4-1、IUC 在不同的的處理時間下之氧氣還原能力圖
4-2IUC 觸媒的材料特性
4-2-1IUC 觸媒之 X 光繞射光譜圖分析
根據不同時間的處理條件可以得到不同的結構，在此研究中利用 X 光繞射 分析可以得到結構上相關的訊息。經由 X 光繞射分析，樣品中尿素的特徵峰與 JCPDS 中 PDF # 08-0822 的特徵峰落在相同的位置，完全吻合數據庫上的資料。
而經過對照後，700 W 和熱處理 1 min 和 700 W 和熱處理 2 min 的 X 光特徵峰 是來自於尿素以及鐵離子前驅物(Fe(NO3)39H2O)以及碳粉而來的，可見其觸媒處 理至 2 分鐘時結構僅僅只是三種材料的物理混和，尚未完成新的結構，然而尿素 是一種極為不導電的材料，因此更加可以解釋為何 700 W 和熱處理 1 min 以及 2 min 的氧氣還原活性如此不好。在 700 W 和熱處理 3 min 以及 700 W 和熱處理 4 min 的條件下，尿素與鐵離子前驅物的特徵峰通通消失，新產生的是在 45 度的 特徵峰，在這種現象下，足以證明其結構上的改變，而 45 度的特徵峰是 Fe-Nx 的特徵峰。根據文獻上所報導，Fe-Nx-Cy 或 Co-Nx-Cy 是氧氣還原活性的主要結
構19-25，所以 700 W 和熱處理 3 min、700 W 和熱處理 4 min 的氧氣還原是所有
條件中最好的，由於存在著 Fe-Nx-Cy 的結構，熱處理 4 min 的氧還原活性比熱 處理 3 min 好，因為較高比例的 FeN2，這部分會在後面的 X 光吸收光譜有更詳 盡的探討。熱處理 5 min 氧還原活性會減弱的原因是肇因於 Fe-Nx-Cy 的結構被 破壞，而形成γ-Fe2O3化合物。
圖 4-2-1、尿素、鐵離子前驅物以及 IUC 觸媒在不同時間微波處理下的 X 光繞射 光譜圖
4-2-2 IUC 觸媒之 X 光光電子能譜儀分析
從前面 XRD 的數據結果顯示微波熱處理時間不同造成 IUC 觸媒結構產生變 化。再將 IUC 觸媒採用 XPS 對氮原子鍵結做分析，可以明顯發現微波條件不同 所帶來的結構改變，700 W 和熱處理 1 min 到 700 W 和熱處理 4 min 的 XPS 圖 譜中得知鍵結能逐漸變大，氮原子的鍵結方法不一樣，也就是產生的氮化合物不 盡相同。在 700 W 和熱處理 1 min 和 700 W 和熱處理 2 min 的觸媒中，氮化合 物有 NR3和 pyridinic-like nitrogen 兩種，主要以 NR3的形式存在，這是因為尿素 結構尚未完全形成新的氮鍵結結構，因此導電性不佳；700 W 和熱處理 3 min 的 觸媒因微波處理時間較長，使得原本 NR3和 pyridinic-like nitrogen 化合物破壞產 生 Quaternary-type nitrogen 和 pyrrolic-type nitrogen 結構，依據眾多文獻證明 Quaternary-type nitrogen 結構含量越多，導電特性越好18,26-30，這也合理解釋含有 100 % Quaternary-type nitrogen 氮化合物的 700 W 和熱處理 4 min 觸媒，其氧氣 還原反應優於其他條件。反觀 700 W 和熱處理 5min 觸媒，由於微波處理時間過 長，原本在 700 W 和熱處理 4 min 形成的 Quaternary-type nitrogen 在此時瓦解，
重新鍵結組合，主要以 pyrrolic-type nitrogen 形式存在，含有部分 Nitrites，由此 可知其導電性下降，更加說明氧氣還原反應能力下降的原因。
圖 4-2-2、不同時間處理的 IUC 觸媒之 XPS 光譜圖
表 4-2-1、將圖 4-2-2 利用分峰所獲得的結果
4-3 IUC 觸媒之 X 光吸收光譜分析
利用 X 光吸收光譜來分析不同時間微波處理下的 IUC 觸媒，可以得知下列 結果。首先從圖(a)XANES 的光譜中可以發現從熱處理 1 min 到熱處理 5 min 的 Fe 的氧化態並未有改變，他們的吸收能量皆在 7126.9 eV，表示鐵的價數皆為+ 3 價。
但是從(b)EXAFS 圖中顯示出明顯的不同，其中 700 W 和熱處理 1 min 到 5 min 皆有 Fe-N1的鍵結，是由於經由微波處理後 Fe 和 N 鍵結而成的。而從 3 min 微波時間開始，產生了新的 Fe-N2鍵結，到了熱處理 5 min 之後，微波處理時間 過長使得 Fe-N2 鍵結被破壞，重新組合產生 Fe-Fe 鍵結，這樣的結果與前述的 XRD 與 XPS 數據相呼應，進而可以解釋 700 W 和熱處理 5 min 之所以氧還原效 果變差的原因。
圖 4-3、IUC 觸媒在不同時間微波處理下的 Fe K edge X 光吸收光譜圖 (a)XANES 光譜圖；(b)EXAFS 光譜圖
4-4 IUC 觸媒作為陰極材料之全電池效能
將不同時間熱處理下的 IUC 觸媒應用於陰極端，以白金作為陽極端觸媒，
採用 Nafion® 212 作為質子交換膜，應用在全電池測試上。其操作溫度為 70℃，
所添加的背壓為一大氣壓，氫氣與氧氣的流量分別為 200 sccm 與 500 sccm。由 全電池的結果可以發現當微波處理條件為 700 W 和熱處理 4 min 時擁有最好的 電池功率密度為 350 mW cm-2，其開路電位為 0.95 V 以及最大電流密度為 1300 mA cm-2。再其次為 700 W 和熱處理 3 min，其電池功率密度為 300 mW cm-2， 其開路電位為 0.9 V，最大電流密度為 900 mA cm-2。依次為 700 W 和熱處理 5 min、
700 W 和熱處理 2 min、700 W 和熱處理 1 min，這樣的結果與氧還原結果一致。
這樣的效果雖然仍無法與白金觸媒相抗衡，但與文獻上一些非白金觸媒相比之下
31-34，還超出不少，可見其觸媒之發展性以及利用性。
圖 4-4-1、IUC 觸媒在不同時間微波處理下的全電池效能圖
4-5 IUC 觸媒的穩定性
電池的可用性除了擁有高功率之外，也必須具有高穩定性，因此長時間的穩 定性測試可以更了解電池以及觸媒的特性。本實驗採用定電位 0.4 V，且在電池 陽極端通氫氣，陰極端通空氣，操作溫度維持在 70℃，持續 150 個小時的測試 下，發現電流沒有顯著的下降現象，相較於以往的非白金觸媒有較優越的穩定性，
文獻上的非白金觸媒僅有 100 小時以下的測試14,17,20,21，而本研究可以達 150 hr 測試，算是有驚人的突破，證明 IUC 非白金觸媒燃料電池在應用上具有極佳的 效能持續性。除了製成價格低廉外，穩定性也極佳，將來非常適合應用於商業化 用途中。結果如下圖 4-5 所示：
圖 4-5、IUC 觸媒在氫氣、空氣氣氛下，定電位 0.4 V 的 150 小時穩定性測試圖