Design and Preparation of Fe–N5 Catalytic Sites in Single-Atom Catalysts for Enhancing the Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells

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作者
Ye‐Min Zhao,Pengcheng Zhang,Chao Xu,Xin‐You Zhou,Li–Mei Liao,Ping‐Jie Wei,Ershuai Liu,Hengquan Chen,Qinggang He,Jin‐Gang Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (15): 17334-17342 被引量:92
标识
DOI:10.1021/acsami.9b20711
摘要

There is an urgent need for developing nonprecious metal catalysts to replace Pt-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. Atomically dispersed M-Nx/C catalysts have shown promising ORR activity; however, enhancing their performance through modulating their active site structure is still a challenge. In this study, a simple approach was proposed for preparing atomically dispersed iron catalysts embedded in nitrogen- and fluorine-doped porous carbon materials with five-coordinated Fe-N5 sites. The C@PVI-(DFTPP)Fe-800 catalyst, obtained through pyrolysis of a bio-inspired iron porphyrin precursor coordinated with an axial imidazole from the surface of polyvinylimidazole-grafted carbon black at 800 °C under an Ar atmosphere, exhibited a high electrocatalytic activity with a half-wave potential of 0.88 V versus the reversible hydrogen electrode for ORR through a four-electron reduction pathway in alkaline media. In addition, an anion-exchange membrane electrode assembly (MEA) with C@PVI-(DFTPP)Fe-800 as the cathode electrocatalyst generated a maximum power density of 0.104 W cm-2 and a current density of 0.317 mA cm-2. X-ray absorption spectroscopy demonstrated that a single-atom catalyst (Fe-Nx/C) with an Fe-N5 active site can selectively be obtained; furthermore, the catalyst ORR activity can be tuned using fluorine atom doping through appropriate pre-assembling of the molecular catalyst on a carbon support followed by pyrolysis. This provides an effective strategy to prepare structure-performance-correlated electrocatalysts at the molecular level with a large number of M-Nx active sites for ORR. This method can also be utilized for designing other catalysts.
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