Low Temperature Synthesis of New Highly Graphitized N-Doped Carbon for Pt Fuel Cell Supports, Satisfying Doe 2025 Durability Standards for Both Catalyst and Suppor T

耐久性 碳纤维 材料科学 催化作用 电解质 热解 电催化剂 质子交换膜燃料电池 化学工程 电化学 复合材料 化学 电极 有机化学 复合数 物理化学 工程类
作者
Ha‐Young Lee,Ted H. Yu,Cheol-Hwan Shin,Alessandro Fortunelli,Sang Gu Ji,Yujin Kim,Tong‐Hyun Kang,Byong‐June Lee,Boris V. Merinov,William A. Goddard,Chang Hyuck Choi,Jong‐Sung Yu
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:323: 122179-122179 被引量:76
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2022.122179
摘要

For polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), the state-of-the-art electrocatalysts are based on carbon-supported Pt group metals. However, current carbon supports suffer from carbon corrosion during repeated start-stop operations, causing performance degradation. We report a new strategy to produce highly graphitized carbon with controllable N-doping that uses low-temperature synthesis (650 ℃) from g-C3N4 carbon-nitrogen precursor with pyrolysis using Mg. The high graphiticity is confirmed by high-intensity 2D Raman peak with low ID/IG (0.57), pronounced graphitic XRD planes, and excellent conductivity. Without further post-treatment, this highly graphitized N-doped carbon (HGNC) material combines high pyrrolic-N content with high porosity. Supporting Pt on HGNC exhibits excellent oxygen reduction activity for PEMFC with greatly improved durability as proved by real-time loss measurements of Pt and carbon, the first to surpass the DOE 2025 durability targets for both catalyst and support. The Pt/HGNC-65 shows 32% and 24% drop in mass activity after accelerated durability tests of both electrocatalyst and support, respectively, which are less than DOE target of 40% loss. The atomistic basis for this durability is explained via quantum mechanics-based molecular dynamics simulations. Interestingly, it is found that pyrrolic-N strongly interacts with Pt, making the Pt catalyst more stable during fuel cell reaction.
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