Defect‐Engineered ZIF‐Derived Non‐Pt Cathode Catalyst at 1.5 mg cm−2 Loading for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

质子交换膜燃料电池 催化作用 阴极 质子 材料科学 燃料电池 化学工程 化学 物理化学 有机化学 核物理学 生物化学 物理 工程类
作者
Weikang Zhu,Haotian Liu,Yabiao Pei,Tao Liu,Junfeng Zhang,Xin Liu,Lianqin Wang,Yingjie Feng,Yan Yin,Michael D. Guiver
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (43): e2302090-e2302090 被引量:17
标识
DOI:10.1002/smll.202302090
摘要

Due to the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) by non-Pt based catalyst, high loading of catalyst is required to achieve satisfactory fuel cell performance, which inevitably leads to the increase of the catalyst layer thickness with serious mass transport resistance. Herein, a defective zeolitic imidazolate framework (ZIF) derived Co/Fe-N-C catalyst with small mesopores (2-4 nm) and high density of CoFe atomic active sites are prepared by regulating the Fe dosage and pyrolysis temperature. Molecular dynamics simulation and electrochemical tests indicate that > 2 nm mesopores show insignificant influence on the diffusion process of O2 and H2 O molecules, leading to the high utilization of active sites and low mass transport resistance. The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) shows a high-power density of 755 mW cm-2 with only 1.5 mg cm-2 of non-Pt catalyst in the cathode. No apparent performance loss caused by concentration difference can be observed, in particular in the high current density region (1 A cm-2 ). This work emphasizes the importance of small mesopore design in the Co/Fe-N-C catalyst, which is anticipated to provide essential guidance for the application of non-Pt catalysts.
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