Engineering Atomic Single Metal–FeN4Cl Sites with Enhanced Oxygen-Reduction Activity for High-Performance Proton Exchange Membrane Fuel Cells

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作者
Shichao Ding,Jordan A. Barr,Qiurong Shi,Yachao Zeng,Peter Tieu,Zhaoyuan Lyu,Lingzhe Fang,Tao Li,Xiaoqing Pan,Scott P. Beckman,Dan Du,Hongfei Lin,Jincheng Li,Gang Wu,Yuehe Lin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (9): 15165-15174 被引量:160
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c06459
摘要

Fe-N-C single-atomic metal site catalysts (SACs) have garnered tremendous interest in the oxygen reduction reaction (ORR) to substitute Pt-based catalysts in proton exchange membrane fuel cells. Nowadays, efforts have been devoted to modulating the electronic structure of metal single-atomic sites for enhancing the catalytic activities of Fe-N-C SACs, like doping heteroatoms to modulate the electronic structure of the Fe-Nx active center. However, most strategies use uncontrolled long-range interactions with heteroatoms on the Fe-Nx substrate, and thus the effect may not precisely control near-range coordinated interactions. Herein, the chlorine (Cl) is used to adjust the Fe-Nx active center via a near-range coordinated interaction. The synthesized FeN4Cl SAC likely contains the FeN4Cl active sites in the carbon matrix. The additional Fe-Cl coordination improves the instrinsic ORR activity compared with normal FeNx SAC, evidenced by density functional theory calculations, the measured ORR half-wave potential (E1/2, 0.818 V), and excellent membrane electrode assembly performance.
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