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Carbon Nanotube-Encased FeNi Alloy/N-Doped Carbon ORR Catalyst: High Efficiency and Stability

材料科学 催化作用 电催化剂 碳纳米管 碳纤维 热解 化学工程 过渡金属 甲醇 无机化学 纳米技术 复合数 电化学 电极 复合材料 化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Anand Parkash
出处
期刊:ECS Journal of Solid State Science and Technology [Institute of Physics]
卷期号:12 (12): 121003-121003 被引量:3
标识
DOI:10.1149/2162-8777/ad10e5
摘要

The efficient reduction of oxygen in fuel cell technology using platinum group metals (PGMs) faces challenges like sluggish kinetics, high costs, and poor durability. To overcome these limitations, PGM-free oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalysts are sought after. Transition-metal-based electrocatalysts, specifically metal-nitrogen co-doped carbon (M-N/C, M = Fe, Co, etc.), have emerged as promising alternatives due to their abundant pore structures, high surface area, conductivity, and cost-effectiveness. This review explores various non-precious metal electrocatalysts for ORR, highlighting pyrolyzed transition metal nitrogen-containing complexes on carbon (M–Nx/C) as outstanding candidates, with Fe-N/C demonstrating remarkable performance. In this study, we introduce a novel approach to construct Fe-Nx doped large-diameter carbon nanotubes (Fe,Ni-N/C) by pyrolyzing zeolitic imidazolium frameworks-8 (ZIF-8) functionalized with nickel acetate. This approach capitalizes on strong intercalation between acetate and metal ions, promoting Fe-Nx active site formation while generating large-diameter carbon nanotubes. The resulting catalyst facilitates rapid mass transport and maximizes active site exposure, nearing the performance of Pt/C. Our catalyst exhibits an initial potential of 1.03 V, a half-wave potential of 0.88 V, and a limit current of 5.5 mA cm −2 . Remarkably, it retains 85.7% of its initial performance in a 36,000 s chronoamperometry test, demonstrating superior durability and methanol toxicity resistance compared to Pt/C. Large-diameter carbon nanotubes offer a potential alternative electrocatalyst, eliminating the need for templates, simplifying mass production for applications like sensors, supercapacitors, and lithium-ion batteries. Furthermore, our Fe,Ni-N/C catalyst outperforms commercial Pt/C, making it a promising choice for ORR applications in fuel cells.
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