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PGM-Free Fe/N/C and Ultralow Loading Pt/C Hybrid Cathode Catalysts with Enhanced Stability and Activity in PEM Fuel Cells

材料科学 阴极 催化作用 质子交换膜燃料电池 化学工程 电极 活化能 化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Xiaohua Yang,Gaixia Zhang,Lei Du,Jun Zhang,Fu‐Kuo Chiang,Yuren Wen,Xiaomin Wang,Yucheng Wu,Ning Chen,Shuhui Sun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (12): 13739-13749 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acsami.9b18085
摘要

In this work, the stability behaviors of the state-of-the-art Fe/N/C and Pt/C catalysts (as well as the activation time of the latter) were first systematically investigated, under different cathode catalyst loadings, in the membrane electrode assemblies (MEA) in PEM fuel cells. Based on that, two types of cathode electrodes with the combination of Fe/N/C and Pt/C catalysts were developed (type I: layered hybrid catalysts with Pt/C next to the membrane and type II: uniformly mixed catalysts). In this way, the shortcomings of the Fe/N/C catalyst (the fast decay) and the Pt/C catalyst (the long activation time) can be compensated at the same time. The hybrid catalysts also showed a very short activation time (a few hours vs over 10 h for Pt/C with the same Pt loading). Comparing the two types of hybrid catalysts, type I shows a much higher current density. The loadings of the Fe/N/C and Pt/C catalysts in the hybrid electrode were systematically studied, with optimal values of 1.0 mg cm-2 for Fe/N/C and 0.035 mgPt cm-2 for Pt/C. The Pt loading of this hybrid catalyst (type I) at the cathode only takes ca. 30% of the U.S. Department of Energy (DOE) target of Pt usage (0.100 mgPt cm-2), while its mass activity of Pt (in H2/O2 PEMFC) is 0.22 A mgPt-1 at 0.9iR-free V, reaching half of the DOE activity target (0.44 A mgPt-1), which is among the best performances reported so far. Via both half-cell and single-cell electrochemical evaluations together with other characterizations, the origin of the improved activity and stability is believed to be the synergistic effect between Pt/C and Fe/N/C catalysts to ORR. This work provides an effective strategy for engineering highly performing MEA for the industrialization of PEM fuel cells.
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