Toward highly accessible Fe-N4 sites via rational design of metal chelated ionic liquids for ORR, OER and HER trifunctional electrocatalysis

过电位 电催化剂 阴极 离子液体 催化作用 化学 化学工程 电解 分解水 析氧 无机化学 阳极 甲醇 电极 电解质 物理化学 有机化学 电化学 工程类 光催化
作者
Arunprasath Sathyaseelan,Vijayakumar Elumalai,Muthukumar Perumalsamy,Noor Ul Haq Liyakath Ali,Aparna Sajeev,Sang‐Jae Kim
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:489: 151235-151235 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.151235
摘要

The development of efficient non-precious, atomically dispersed single-atom catalysts (SACs) is vital for advancing fuel cell and water electrolyzer technologies. Here, we rationally designed a metal-chelated ionic liquid (M-IL) as a cornerstone (single source) to synthesize highly efficient M-SAC electrocatalysts via a robust and straightforward approach for ORR, OER, and HER reactions. The effect of temperature, as well as various metals (Fe, Co, Cu, Ni), on the formation of the M-SAC catalyst, was meticulously investigated. Among the designed single-atom catalysts, IL-Fe-SAC-8 delivered superior methanol tolerance toward ORR with a higher half-wave potential (0.90 V vs. RHE) and lower overpotential values of −0.127 V and 1.511 V vs. RHE, achieving a benchmark current density of 10 mA cm−2 toward HER and OER reactions. Thanks to the optimal graphitization, abundant defects, enhanced surface area, and high atomic coordination (supported by HAADF & XANES) of IL-Fe-SAC-8. Furthermore, the flexible DMFC assembled using IL-Fe-SAC-8 cathode delivered 2.5 times higher power density than the Pt/C-based cathode. When we tested a bifunctional IL-Fe-SAC-8||IL-Fe-SAC-8 electrolyzer, it achieved 1.58 V to deliver 10 mA cm−2. Moreover, for the real-time demonstration, we powered an H-type membrane water electrolyzer (separated by AEM) with a windmill and measured the hydrogen and oxygen produced concerning wind speeds. Furthermore, the produced hydrogen gas is used to power the lab-scale hydrogen fuel cell vehicle. This overall study demonstrates a new pathway to prepare unexplored atomically dispersed catalysts through a single source and template-free approach for next-generation energy technologies.
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