Nitrogen‐Coordinated Single Cobalt Atom Catalysts for Oxygen Reduction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

催化作用 质子交换膜燃料电池 材料科学 可逆氢电极 无机化学 过氧化氢 阴极 化学工程 电极 电化学 化学 有机化学 工作电极 物理化学 工程类 生物化学 冶金
作者
Xiao Xia Wang,David A. Cullen,Yung‐Tin Pan,Sooyeon Hwang,Maoyu Wang,Zhenxing Feng,Jingyun Wang,Mark Engelhard,Hanguang Zhang,Yanghua He,Yuyan Shao,Dong Su,Karren L. More,Jacob S. Spendelow,Gang Wu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:30 (11) 被引量:1072
标识
DOI:10.1002/adma.201706758
摘要

Abstract Due to the Fenton reaction, the presence of Fe and peroxide in electrodes generates free radicals causing serious degradation of the organic ionomer and the membrane. Pt‐free and Fe‐free cathode catalysts therefore are urgently needed for durable and inexpensive proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Herein, a high‐performance nitrogen‐coordinated single Co atom catalyst is derived from Co‐doped metal‐organic frameworks (MOFs) through a one‐step thermal activation. Aberration‐corrected electron microscopy combined with X‐ray absorption spectroscopy virtually verifies the CoN 4 coordination at an atomic level in the catalysts. Through investigating effects of Co doping contents and thermal activation temperature, an atomically Co site dispersed catalyst with optimal chemical and structural properties has achieved respectable activity and stability for the oxygen reduction reaction (ORR) in challenging acidic media (e.g., half‐wave potential of 0.80 V vs reversible hydrogen electrode (RHE). The performance is comparable to Fe‐based catalysts and 60 mV lower than Pt/C ‐60 μg Pt cm −2 ). Fuel cell tests confirm that catalyst activity and stability can translate to high‐performance cathodes in PEMFCs. The remarkably enhanced ORR performance is attributed to the presence of well‐dispersed CoN 4 active sites embedded in 3D porous MOF‐derived carbon particles, omitting any inactive Co aggregates.
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