Iron and nitrogen doped carbon derived from ferrocene and ZIF-8 as proton exchange membrane fuel cell cathode catalyst

材料科学 催化作用 质子交换膜燃料电池 化学工程 化学 过电位 无机化学 阴极 碳纤维 电化学 二茂铁 有机化学 电极 复合材料 物理化学 工程类 复合数
作者
Jinchang Xu,Guofeng Liang,Di Chen,Zilong Li,Hao Zhang,Jian Chen,Fangyan Xie,Yanshuo Jin,Nan Wang,Hui Meng
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:573: 151607-151607 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2021.151607
摘要

H2-O2 proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), one of the applications of hydrogen energy with specific energy density of 143 MJ/kg, might be a promising alternative to replace the use of fossil energy. The key to accelerate the application of PEMFCs is to design an efficient non-precious metal catalyst to lower the overpotential of the cathode oxygen reduction reaction (ORR). Herein, we developed a novel iron and nitrogen doped carbon (FeNC) catalyst using ferrocene as iron source, ZIF-8 as organic framework as well as the main carbon source. The regular morphology of ZIF-8 and ferrocene can prevent active sites from agglomeration, resulting a homogenous distribution of Fe, N and C. Moreover, the high specific area, porous structure and abundant catalytic Fe and N species gave rise to the ORR performance of the catalyst. As a result, the as-prepared FeNC catalyst showed an onset and half-wave potential of 0.95 V and 0.78 V in 0.1 M HClO4 with 1600 rpm, respectively. The catalysts were also applied in a PEMFC as the cathode catalysts with an open circuit voltage of more than 0.9 V and a maximum power density of 601 mW/cm2. Additionally, the as-prepared FeNC-1:30 catalyst showed a current density of 380 mA/cm2 at 0.7 V, which outperformed other as-prepared catalysts.
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