Hydrogen Peroxide‐Induced Overoxidation of Fe−N−C Catalysts: Implications for ORR Activity

过氧化氢 催化作用 化学 多相催化 光化学 无机化学 环境化学 化学工程 有机化学 工程类
作者
Ankita Morankar,Plamen Atanassov,Jeffrey Greeley
出处
期刊:ChemPhysChem [Wiley]
卷期号:25 (13) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/cphc.202400199
摘要

Abstract Fe−N−C (iron‐nitrogen‐carbon) electrocatalysts have emerged as promising alternatives to precious metals for the oxygen reduction reaction (ORR), but they remain insufficiently stable for widespread adoption in fuel cell technologies. One plausible mechanism to explain this lack of stability, and the associated catalyst degradation, is oxidative attack on the catalyst surface by hydrogen peroxide, a non‐selective byproduct of the ORR. In this work, we perform a detailed analysis of this degradation mechanism, using a combination of periodic Density Functional Theory (DFT) calculations and ab‐initio molecular dynamics (AIMD) simulations to probe the thermodynamics and kinetics of hydrogen peroxide activation on a series of candidate active sites for the Fe−N−C catalyst. The results demonstrate that carbon atoms neighbouring FeN 4 active sites can be strongly over‐oxidized via formation of hydroxyl or epoxy groups when hydrogen peroxide is present in the electrolyte. In most cases, the interaction between the over‐oxidizing groups and the ORR reaction intermediates reduces the ORR activity, and we further propose that the over‐oxidized sites are likely precursors to irreversible carbon corrosion and further catalyst deactivation.

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