Building Atomic Scale and Dense Fe─N4 Edge Sites of Highly Efficient Fe─N─C Oxygen Reduction Catalysts Using a Sacrificial Bimetallic Pyrolysis Strategy

催化作用 双金属片 质子交换膜燃料电池 热解 过渡金属 铂金 电解质 材料科学 无机化学 碳纤维 氧还原反应 化学 电极 电化学 物理化学 有机化学 复合材料 复合数
作者
Zhaoyan Luo,Tingyi Zhou,Yi Guan,Lei Zhang,Qianling Zhang,Chuanxin He,Xueliang Sun,Xiangzhong Ren
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (48) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/smll.202304750
摘要

Replacing high-cost and scarce platinum (Pt) with transition metal and nitrogen co-doped carbon (M/N/C, M = Fe, Co, Mn, and so on) catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells has largely been impeded by the unsatisfactory ORR activity of M/N/C due to the low site utilization and inferior intrinsic activity of the M─N4 active center. Here, these limits are overcome by using a sacrificial bimetallic pyrolysis strategy to synthesize Fe─N─C catalyst by implanting the Cd ions in the backbone of ZIF-8, leading to exposure of inaccessible FeN4 edge sites (that is, increasing active site density (SD)) and high fast mass transport at the catalyst layer of cathode. As a result, the final obtained Fe(Cd)─N─C catalyst has an active site density of 33.01 µmol g-1 (with 33.01% site utilization) over 5.8 times higher than that of Fe─N─C catalyst. Specially, the optimal catalyst delivers a high ORR performance with a half-wave potential of 0.837 (vs RHE) in a 0.1 m HClO4 electrolyte, which surpasses most of Fe-based catalysts.
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