Unveiling N-Protonation and Anion-Binding Effects on Fe/N/C Catalysts for O2 Reduction in Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells

催化作用 质子化 化学 质子交换膜燃料电池 铂金 质子 无机化学 离子交换 热解 离子 有机化学 生物化学 量子力学 物理
作者
Juan Herranz,Frédéric Jaouen,Michel Lefèvre,Ulrike I. Kramm,Eric Proietti,Jean‐Pol Dodelet,Peter Bogdanoff,S. Fiechter,I. Abs-Wurmbach,Patrick Bertrand,Thomas M. Arruda,Sanjeev Mukerjee
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:115 (32): 16087-16097 被引量:297
标识
DOI:10.1021/jp2042526
摘要

The high cost of proton-exchange-membrane fuel cells would be considerably reduced if platinum-based catalysts were replaced by iron-based substitutes, which have recently demonstrated comparable activity for oxygen reduction but whose cause of activity decay in acidic medium has been elusive. Here, we reveal that the activity of Fe/N/C catalysts prepared through a pyrolysis in NH3 is mostly imparted by acid-resistant FeN4 sites whose turnover frequency for the O2 reduction can be regulated by fine chemical changes of the catalyst surface. We show that surface N-groups protonate at pH 1 and subsequently bind anions. This results in decreased activity for the O2 reduction. The anions can be removed chemically or thermally, which restores the activity of acid-resistant FeN4 sites. These results are interpreted as an increased turnover frequency of FeN4 sites when specific surface N-groups protonate. These unprecedented findings provide a new perspective for stabilizing the most active Fe/N/C catalysts known to date.
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