Pyrazine‐linked Iron‐coordinated Tetrapyrrole Conjugated Organic Polymer Catalyst with Spatially Proximate Donor‐Acceptor Pairs for Oxygen Reduction in Fuel Cells

电催化剂 吡嗪 催化作用 共轭体系 化学 聚合物 电化学 氢氧化物 材料科学 无机化学 纳米技术 化学工程 有机化学 物理化学 电极 工程类
作者
Yang Wang,Minghao Wang,Ting Chen,Weisheng Yu,Hongfei Liu,Cheng Han,Wentuan Bi,Min Zhou,Yi Xie,Changzheng Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (47) 被引量:19
标识
DOI:10.1002/anie.202308070
摘要

Nitrogen-coordinated iron (Fe-N4 ) materials represent the most promising non-noble electrocatalysts for the cathodic oxygen reduction reaction (ORR) of fuel cells. However, molecular-level structure design of Fe-N4 electrocatalyst remains a great challenge. In this study, we develop a novel Fe-N4 conjugated organic polymer (COP) electrocatalyst, which allows for precise design of the Fe-N4 structure, leading to unprecedented ORR performance. At the molecular level, we have successfully organized spatially proximate iron-pyrrole/pyrazine (FePr/Pz) pairs into fully conjugated polymer networks, which in turn endows FePr sites with firmly covalent-bonded matrix, strong d-π electron coupling and highly dense distribution. The resulting pyrazine-linked iron-coordinated tetrapyrrole (Pz-FeTPr) COP electrocatalyst exhibits superior performance compared to most ORR electrocatalysts, with a half-wave potential of 0.933 V and negligible activity decay after 40,000 cycles. When used as the cathode electrocatalyst in a hydroxide exchange membrane fuel cell, the Pz-FeTPr COP achieves a peak power density of ≈210 mW cm-2 . We anticipate the COP based Fe-N4 catalyst design could be an effective strategy to develop high-performance catalyst for facilitating the progress of fuel cells.
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