Atomically dispersed iron sites with a nitrogen–carbon coating as highly active and durable oxygen reduction catalysts for fuel cells

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作者
Shengwen Liu,Chenzhao Li,Michael J. Zachman,Yachao Zeng,Haoran Yu,Boyang Li,Maoyu Wang,Jonathan Braaten,Jiawei Liu,Harry M. Meyer,Marcos Lucero,A. Jeremy Kropf,E. Ercan,Qing Gong,Qiurong Shi,Zhenxing Feng,Hui Xu,Guofeng Wang,Deborah J. Myers,Jian Xie
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:7 (7): 652-663 被引量:726
标识
DOI:10.1038/s41560-022-01062-1
摘要

Nitrogen-coordinated single atom iron sites (FeN4) embedded in carbon (Fe–N–C) are the most active platinum group metal-free oxygen reduction catalysts for proton-exchange membrane fuel cells. However, current Fe–N–C catalysts lack sufficient long-term durability and are not yet viable for practical applications. Here we report a highly durable and active Fe–N–C catalyst synthesized using heat treatment with ammonia chloride followed by high-temperature deposition of a thin layer of nitrogen-doped carbon on the catalyst surface. We propose that catalyst stability is improved by converting defect-rich pyrrolic N-coordinated FeN4 sites into highly stable pyridinic N-coordinated FeN4 sites. The stability enhancement is demonstrated in membrane electrode assemblies using accelerated stress testing and a long-term steady-state test (>300 h at 0.67 V), approaching a typical Pt/C cathode (0.1 mgPt cm−2). The encouraging stability improvement represents a critical step in developing viable Fe–N–C catalysts to overcome the cost barriers of hydrogen fuel cells for numerous applications. Fe–N–C materials are promising oxygen reduction catalysts for proton-exchange membrane fuel cells but still lack sufficient long-term durability for practical applications. Here the authors fabricate an Fe–N–C material with a thin N–C layer on the surface, leading to a highly durable and active catalyst.
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