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Selective Etching of Metal–Organic Frameworks for Open Porous Structures: Mass-Efficient Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction Reaction for Fuel Cells

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作者
Jingjing Li,Wei Xia,Xingtao Xu,Dong Jiang,Ze‐Xing Cai,Jing Tang,Yanna Guo,Xianli Huang,Tao Wang,Jianping He,Buxing Han,Yusuke Yamauchi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (50): 27262-27272 被引量:18
标识
DOI:10.1021/jacs.3c05544
摘要

Fe-Nx-C-based single-atom (SA-Fe-N-C) catalysts have shown favorable oxygen reduction reaction (ORR) activity. However, their application in proton exchange membrane fuel cells is hindered by reduced performance owing to the thick catalyst layer, restricting mass transfer and the O2 supply. Metal-organic frameworks (MOFs) are a promising class of crystal materials, but their narrow pores exacerbate the sluggish mass-transport properties within the catalyst layer. This study developed an approach for constructing an open-pore structure in MOFs via chelation-assisted selective etching, resulting in atomically dispersed Fe atoms anchored on an N, S co-doped carbon framework. The open-pore structure reduces oxygen transport resistance in the membrane electrode assembly (MEA) with unprecedented ORR activity and stability, as evidenced by finite element simulations. In an acidic electrolyte, the OP-Fe-NC catalyst shows a half-wave potential of 0.89 V vs RHE, surpassing Pt/C by 20 mV, and a current density of 29 mA cm-2 at 0.9 ViR-free in the MEA. This study provides an effective structural strategy for fabricating electrocatalysts with high mass efficiency and atomic precision for energy storage and conversion devices.
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