Host-guest interactions promoted formation of Fe-N4 active site toward efficient oxygen reduction reaction catalysis

催化作用 质子交换膜燃料电池 化学 化学工程 活动站点 碳化 离子液体 氧还原反应 多相催化 热稳定性 无机化学 吸附 有机化学 电化学 电极 物理化学 工程类
作者
Zhengwen Fan,Xinjiao Cui,Jiankun Wei,Chan Chen,Haolin Tang,Junsheng Li
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:621: 195-204 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2022.04.059
摘要

FeNC is the most promising material to replace the noble metal catalyst for cathodic oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). However, the practical performance of FeNC catalyst is significantly limited by its low active site (Fe-N4) density. Herein, we propose to promote the formation of Fe-N4 active sites in FeNC catalyst by strengthening the interaction of N precursors and Fe precursors during the carbonization synthesis. In our approach, ionic liquid (IL, [EMIM][NTf2]) with high nitrogen content and good thermal stability is caged in the pores of Fe-ZIF-8 through the host-guest interactions. These interactions are critical for the preservation of Fe and N species and formation of active sites during the synthesis. The optimal catalyst developed with this approach (Fe0.05NC/10) has a high density of accessible Fe-N4 sites (1.88*1019 sites g-1). Therefore, in both acidic and alkaline media, Fe0.05NC/10 showed excellent ORR activity comparable to commercial Pt/C catalyst. Moreover, PEMFC performance with a peak power density of 300 mW cm-2 was demonstrated with Fe0.05NC/10 under H2/O2 conditions. The synthetic approach reported herein may be used for tailoring of advanced catalyst with high intrinsic activity.
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