FeNC Electrocatalysts with Densely Accessible FeN 4 Sites for Efficient Oxygen Reduction Reaction

材料科学 沸石咪唑盐骨架 可逆氢电极 三聚氰胺 质子交换膜燃料电池 碳纤维 电解质 催化作用 分子 氮气 氧气 无机化学 金属有机骨架 物理化学 电极 有机化学 化学 复合材料 吸附 参比电极 复合数
作者
Yazhou Zhou,Guangbo Chen,Qing Wang,Ding Wang,Xiafang Tao,Tierui Zhang,Xinliang Feng,Kläus Müllen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (34) 被引量:162
标识
DOI:10.1002/adfm.202102420
摘要

Abstract The development of iron and nitrogen co‐doped carbon (FeNC) electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton‐exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is a grand challenge due to the low density of accessible FeN 4 sites. Here, an in situ trapping strategy using nitrogen‐rich molecules (e.g., melamine, MA) is demonstrated to enhance the amount of accessible FeN 4 sites in FeNC electrocatalysts. The melamine molecules can participate in the coordination of Fe ions in zeolitic imidazolate frameworks to form FeN 6 sites within precursors. These FeN 6 sites are then converted into atomically dispersed FeN 4 sites during a pyrolytic process. Remarkably, the FeNC/MA exhibits a high single‐atom Fe content (3.5 wt.%), a large surface area (1160 m 2 g −1 ), and a high density of accessible FeN 4 sites (45.7 × 10 19 sites g −1 ). As a result, FeNC/MA shows a much enhanced ORR activity with a half‐wave potential of 0.83 V (vs the reversible hydrogen electrode) in a 0.5 m H 2 SO 4 electrolyte solution and a good performance in a PEMFC system with an activity of 80 mA cm −2 at 0.8 V under 1.0 bar H 2 /air. This work offers a promising approach toward high‐performance carbon‐based ORR electrocatalysts.
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