Chemical Vapor Deposition of Fe-N-C Oxygen Reduction Catalysts with Full Utilization of Dense Fe-N4 Sites

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作者
Jiao Li,Jingkun Li,Lynne LaRochelle Richard,Qiang Sun,Thomas Stracensky,Ershuai Liu,Moulay Tahar Sougrati,Zipeng Zhao,Fan Yang,Sichen Zhong,Hui Xu,Sanjeev Mukerjee,Yu Huang,David A. Cullen,Deborah J. Myers,Frédéric Jaouen,Qingying Jia
出处
期刊:ChemRxiv 被引量:1
标识
DOI:10.26434/chemrxiv.12918983.v1
摘要

Replacing scarce and expensive platinum (Pt) with metal-nitrogen-carbon (M-N-C) catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) has largely been impeded by the low activity of M-N-C, in turn limited by low site density and low site utilization. Herein, we overcome these limits by implementing chemical vapor deposition (CVD) to synthesize Fe-N-C, an approach fundamentally different from previous routes. The Fe-N-C catalyst, prepared by flowing iron chloride vapor above a N-C substrate at 750 ℃, has a record Fe-N 4 site density of 2×10 20 sites·gram -1 with 100% site utilization. A combination of characterizations shows that the Fe-N 4 sites formed via CVD are located exclusively on the outer-surface, accessible by air, and electrochemically active. This catalyst delivers an unprecedented current density of 33 mA·cm -2 at 0.90 V i R-free ( iR -corrected) in an H 2 -O 2 PEMFC at 1.0 bar and 80 ℃.
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