Ta–TiOx nanoparticles as radical scavengers to improve the durability of Fe–N–C oxygen reduction catalysts

催化作用 氧化剂 材料科学 纳米颗粒 质子交换膜燃料电池 氧气 激进的 耐久性 化学工程 铂金 化学 光化学 纳米技术 有机化学 复合材料 工程类
作者
Hua Xie,Xiaohong Xie,Guoxiang Hu,Venkateshkumar Prabhakaran,Sulay Saha,Lorelis González-López,Abhijit H. Phakatkar,Min Hong,Meiling Wu,Reza Shahbazian‐Yassar,Vijay Ramani,Mohamad Al‐Sheikhly,De‐en Jiang,Yuyan Shao,Liangbing Hu
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:7 (3): 281-289 被引量:257
标识
DOI:10.1038/s41560-022-00988-w
摘要

Highly active and durable platinum group metal-free catalysts for the oxygen reduction reaction, such as Fe–N–C materials, are needed to lower the cost of proton-exchange membrane fuel cells. However, their durability is impaired by the attack of oxidizing radicals such as ·OH and HO2· that form from incomplete reduction of O2 via H2O2. Here we demonstrate that Ta–TiOx nanoparticle additives protect Fe–N–C catalysts from such degradation via radical scavenging. The 5 nm Ta–TiOx nanoparticles were uniformly synthesized on a Ketjenblack substrate using a high-temperature pulse technique, forming the rutile TaO2 phase. We found that Ta–TiOx nanoparticles suppressed the H2O2 yield by 51% at 0.7 V in an aqueous rotating ring disk electrode test. After an accelerated durability test, a fuel cell prepared with the scavengers showed a current density decay of 3% at 0.9 ViR-free (internal resistance-compensated voltage); a fuel cell without scavengers showed 33% decay. Thus, addition of Ta–TiOx provides an active defence strategy to improve the durability of oxygen reduction reaction catalysts.
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