Pt/Fe2O3 with Pt–Fe pair sites as a catalyst for oxygen reduction with ultralow Pt loading

催化作用 氧气 材料科学 电催化剂 吸附 无机化学 铂金 可逆氢电极 解吸 化学 电化学 工作电极 物理化学 电极 有机化学 生物化学
作者
Ruijie Gao,Jian Wang,Zhen‐Feng Huang,Rongrong Zhang,Wei Wang,Lun Pan,Junfeng Zhang,Weikang Zhu,Xiangwen Zhang,Chengxiang Shi,Jongwoo Lim,Ji‐Jun Zou
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:6 (6): 614-623 被引量:390
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00826-5
摘要

Platinum is the archetypal electrocatalyst for oxygen reduction—a key reaction in fuel cells and zinc–air batteries. Although dispersing platinum as single atoms on a support is a promising way to minimize the amount required, catalytic activity and selectivity are often low due to unfavourable O2 adsorption. Here we load platinum onto α-Fe2O3 to construct a highly active and stable catalyst with dispersed Pt–Fe pair sites. We propose that the Pt–Fe pair sites have partially occupied orbitals driven by strong electronic coupling, and can cooperatively adsorb O2 and dissociate the O=O bond, whereas OH* can desorb from the platinum site. In alkaline conditions, the catalyst exhibits onset and half-wave potentials of 1.15 V and 1.05 V (versus the reversible hydrogen electrode), respectively, mass activity of 14.9 A mg−1Pt (at 0.95 V) and negligible activity decay after 50,000 cycles. It also shows better performance than 20% Pt/C in a zinc–air battery and H2–O2 fuel cell in terms of specific energy density and platinum utilization efficiency. Atomically dispersed platinum electrocatalysts for oxygen reduction promise minimized platinum usage, but catalytic activity and selectivity are often low due to unfavourable O2 adsorption. To circumvent this issue, Gao and colleagues load platinum onto α-Fe2O3, making a highly active and stable catalyst with dispersed Pt–Fe pair sites.
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