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Converting Fe–N–C single‐atom catalyst to a new FeNxSey cluster catalyst for proton‐exchange membrane fuel cells

催化作用 质子交换膜燃料电池 星团(航天器) 质子 燃料电池 Atom(片上系统) 化学 材料科学 纳米技术 化学工程 物理 有机化学 核物理学 工程类 计算机科学 嵌入式系统 程序设计语言
作者
Yang Zhao,Pengfei Yin,Yuanyuan Yang,Ruguang Wang,Cairong Gong,Jisi Li,Jiaxin Guo,Quanlu Wang,Tao Ling
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.202419501
摘要

Abstract Iron‐nitrogen‐carbon (Fe−N−C) single‐atom catalyst is the most promising alternative to platinum catalyst for proton‐exchange membrane fuel cells (PEMFCs), however its high performance cannot be maintained for a long enough time in device operation. The construction of a new Fe coordination environment that is completely different from the square‐planar Fe−N 4 configuration in classic Fe−N−C catalyst is expected to break the current stability limits of Pt‐free catalysts, which however remains unexplored. Here, we report, for the first time, the conversion of Fe−N−C catalyst to a new FeN x Se y cluster catalyst, where the active Fe sites are three‐dimensionally (3D) co‐coordinated by N and Se atoms. Due to this unique Fe coordination configuration, the FeN x Se y catalyst exhibits much better 4e − ORR activity and selectivity than the state‐of‐the‐art Fe−N−C catalyst. Specifically, the yields of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and ⋅OH radicals on the FeN x Se y catalyst are only one‐quarter and one‐third of that on the Fe−N−C counterpart, respectively. Therefore, the FeN x Se y catalyst exhibits outstanding cyclic stability, losing only 10 mV in half‐wave potential E 1/2 after 10,000 potential cycles, much smaller than that of the Fe−N−C catalyst (56 mV), representing the most stable Pt‐free catalysts ever reported for PEMFCs. More significantly, the 3D co‐coordination structure effectively inhibits the Fe demetallization of the FeN x Se y catalyst in the presence of H 2 O 2 . As a result, the FeN x Se y based PEMFC shows excellent durability, with the current density attenuation significantly lower than that of the Fe−N−C based device after accelerated durability testing. Our work provides guidance for the development of next‐generation Pt‐free catalysts for PEMFCs.
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