Fe‐N‐C in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Impact of Ionomer Loading on Degradation and Stability

材料科学 电化学 质子交换膜燃料电池 降级(电信) 催化作用 阴极 化学工程 质子 电化学动力学 分析化学(期刊) 物理化学 电极 化学 色谱法 电信 工程类 物理 量子力学 生物化学 计算机科学
作者
Angus Pedersen,Rifael Z. Snitkoff‐Sol,Yan Presman,Laëtitia Dubau,Rongsheng Cai,Jesús Barrio,Sarah J. Haigh,Frédéric Maillard,Ifan E. L. Stephens,Maria‐Magdalena Titirici,Lior Elbaz
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202403920
摘要

Abstract Fe single atoms in N‐doped C (Fe‐N‐C) present the most promising replacement for carbon‐supported Pt‐based catalysts for the O 2 reduction reaction at the cathode of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). However, it remains unclear how the I/C ratio affects Fe‐N‐C degradation and the stability of single Fe atom active sites (FeN x ). Here, an accelerated stress test (AST) protocol is combined with emerging electrochemical techniques for a porous Fe‐N‐C in PEMFC with a range of I/C ratios. The PEMFC current density degradation rates are found to be comparable; however, with increased I/C ratio the additional FeN x sites accessed are more stable, as shown by their higher active site stability number (electrons passed per FeN x lost) at the end of the AST protocol. Meanwhile, the initial rate of TOF decay is suppressed with increasing I/C. Electrochemical process changes are studied via distribution of relaxation times analysis. Minor changes in H + and O 2 transport resistance at low current density prove kinetic degradation dominants at high potentials. These findings demonstrate how electrochemical techniques can be combined with stability metrics to determine and deconvolute changes from the active site to device level electrochemical processes in PEMFCs.
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