P-block single-metal-site tin/nitrogen-doped carbon fuel cell cathode catalyst for oxygen reduction reaction

锡 催化作用 材料科学 质子交换膜燃料电池 阴极 氧气 氢 金属 化学 化学工程 无机化学 化学吸附 碳纤维 铂金 有机化学 物理化学 复合材料 工程类 复合数
作者
Fang Luo,Aaron Roy,Luca Silvioli,David A. Cullen,Andrea Zitolo,Moulay Tahar Sougrati,Ismail Can Oğuz,Tzonka Mineva,Detre Teschner,Stephan Wagner,Wen Ju,Fabio Dionigi,Ulrike I. Kramm,Jan Rossmeisl,Frédéric Jaouen,Peter Strasser
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:19 (11): 1215-1223 被引量:423
标识
DOI:10.1038/s41563-020-0717-5
摘要

This contribution reports the discovery and analysis of a p-block Sn-based catalyst for the electroreduction of molecular oxygen in acidic conditions at fuel cell cathodes; the catalyst is free of platinum-group metals and contains single-metal-atom actives sites coordinated by nitrogen. The prepared SnNC catalysts meet and exceed state-of-the-art FeNC catalysts in terms of intrinsic catalytic turn-over frequency and hydrogen-air fuel cell power density. The SnNC-NH3 catalysts displayed a 40-50% higher current density than FeNC-NH3 at cell voltages below 0.7 V. Additional benefits include a highly favourable selectivity for the four-electron reduction pathway and a Fenton-inactive character of Sn. A range of analytical techniques combined with density functional theory calculations indicate that stannic Sn(IV)Nx single-metal sites with moderate oxygen chemisorption properties and low pyridinic N coordination numbers act as catalytically active moieties. The superior proton-exchange membrane fuel cell performance of SnNC cathode catalysts under realistic, hydrogen-air fuel cell conditions, particularly after NH3 activation treatment, makes them a promising alternative to today's state-of-the-art Fe-based catalysts.
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