Atomically dispersed manganese catalysts for oxygen reduction in proton-exchange membrane fuel cells

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作者
Jiazhan Li,Mengjie Chen,David A. Cullen,Sooyeon Hwang,Maoyu Wang,Boyang Li,Kexi Liu,S. Karakalos,Marcos Lucero,Hanguang Zhang,Chao Lei,Hui Xu,George E. Sterbinsky,Zhenxing Feng,Dong Su,Karren L. More,Guofeng Wang,Zhen‐Bo Wang,Gang Wu
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:1 (12): 935-945 被引量:1162
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0164-8
摘要

Platinum group metal (PGM)-free catalysts that are also iron free are highly desirable for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton-exchange membrane fuel cells, as they avoid possible Fenton reactions. Here we report an efficient ORR catalyst that consists of atomically dispersed nitrogen-coordinated single Mn sites on partially graphitic carbon (Mn-N-C). Evidence for the embedding of the atomically dispersed MnN4 moieties within the carbon surface-exposed basal planes was established by X-ray absorption spectroscopy and their dispersion was confirmed by aberration-corrected electron microscopy with atomic resolution. The Mn-N-C catalyst exhibited a half-wave potential of 0.80 V versus the reversible hydrogen electrode, approaching that of Fe-N-C catalysts, along with significantly enhanced stability in acidic media. The encouraging performance of the Mn-N-C catalyst as a PGM-free cathode was demonstrated in fuel cell tests. First-principles calculations further support the MnN4 sites as the origin of the ORR activity via a 4e− pathway in acidic media. Platinum group metal- and iron-free catalysts are highly desirable for the oxygen reduction reaction in proton-exchange membrane fuel cells. Now, Wu and co-workers show a carbon catalyst with atomically dispersed single Mn sites as an efficient catalyst with enhanced stability in acidic media.
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