Improving the Stability of Non‐Noble‐Metal M–N–C Catalysts for Proton‐Exchange‐Membrane Fuel Cells through M–N Bond Length and Coordination Regulation

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作者
Zhengpei Miao,Xiaoming Wang,Zhonglong Zhao,Wenbin Zuo,Shaoqing Chen,Zhiqiang Li,Yanghua He,Jiashun Liang,Feng Ma,Hsing‐Lin Wang,Gang Lü,Yunhui Huang,Gang Wu,Qing Li
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (39): e2006613-e2006613 被引量:175
标识
DOI:10.1002/adma.202006613
摘要

An effective and universal strategy is developed to enhance the stability of the non-noble-metal M-Nx /C catalyst in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) by improving the bonding strength between metal ions and chelating polymers, i.e., poly(acrylic acid) (PAA) homopolymer and poly(acrylic acid-maleic acid) (P(AA-MA)) copolymer with different AA/MA ratios. Mössbauer spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy (XAS) reveal that the optimal P(AA-MA)-Fe-N catalyst with a higher Fe3+ -polymer binding constant possesses longer FeN bonds and exclusive Fe-N4 /C moiety compared to PAA-Fe-N, which consists of ≈15% low-coordinated Fe-N2 /N3 structures. The optimized P(AA-MA)-Fe-N catalyst exhibits outstanding ORR activity and stability in both half-cell and PEMFC cathodes, with the retention rate of current density approaching 100% for the first 37 h at 0.55 V in an H2 -air fuel cell. Density functional theory (DFT) calculations suggest that the Fe-N4 /C site could optimize the difference between the adsorption energy of the Fe atoms on the support (Ead ) and the bulk cohesive energy (Ecoh ) relative to Fe-N2 /N3 moieties, thereby strongly stabilizing Fe centers against demetalation.
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