Transformation of the Active Moiety in Phosphorus-Doped Fe–N–C for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction

部分 化学 催化作用 氧气 质子交换膜燃料电池 无机化学 组合化学 立体化学 有机化学
作者
JeongHan Roh,Ara Cho,Sungjun Kim,Kug‐Seung Lee,Jae‐Wook Shin,Jin Seok Choi,Junu Bak,SangJae Lee,DongHoon Song,Eom-Ji Kim,Chaewon Lee,Young Rang Uhm,Yong‐Hun Cho,Jeong Woo Han,EunAe Cho
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (14): 9427-9441 被引量:78
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c01136
摘要

Iron- and nitrogen-doped carbon (Fe–N–C) materials have been suggested as the most promising replacement for Pt-based catalysts in the oxygen reduction reaction (ORR) owing to the FeN4 active moiety. Based on the relationship between the oxygen binding energy and the catalytic activity, Fe–N–C has a very strong oxygen binding energy; hence, hard to desorb the final reaction intermediate of *OH. Herein, we provide an effective method of tuning the active moiety using a phosphine-gas treatment for Fe–N–C. Combined analyses of experimental and computational results reveal that the conventional FeN4 moiety is transformed into FeN3PO through the P-doping post-treatment. Furthermore, we propose an ORR mechanism on the unique FeN3PO moiety based on a microkinetic model, in which *OH intermediates are considered. Compared to the FeN4 moiety, the FeN3PO moiety facilitates *OH desorption, thereby enhancing the ORR activity in both alkaline and acidic electrolytes. The effects of P-doping on the ORR performance are also validated in both anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) and proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs).
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