Unravelling the Influence of Oxygen on the Degradation Mechanisms of Fe-N-C Oxygen Reduction Reaction Catalysts

催化作用 质子交换膜燃料电池 电催化剂 化学 氧气 金属 降级(电信) 氧化物 碳纤维 电解质 铂金 脱氢 无机化学 材料科学 电化学 电极 有机化学 物理化学 复合数 复合材料 电信 计算机科学
作者
Kavita Kumar,Tristan Asset,Plamen B. Atanassov,Frédéric Jaouen,Laëtitia Dubau,Frédéric M. Maillard
出处
期刊:Meeting abstracts [Institute of Physics]
卷期号:MA2022-01 (49): 2070-2070
标识
DOI:10.1149/ma2022-01492070mtgabs
摘要

Pyrolyzed iron-nitrogen-carbon materials (Fe-N-C) comprising mostly atomic Fe-Nx moieties are the most mature class of noble metal free catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in acidic media. Such catalysts show excellent performance in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), approaching that of platinum-based catalysts. [1] However, an important performance loss is observed during operation, in conditions mimicking those of a PEMFC. [2] To shed fundamental light onto the degradation mechanisms at stake, two different Fe-N-C materials were prepared, one using a metal organic framework (MOF) and the other a sacrificial support method (SSM), and are labelled Fe-N-C_MOF and Fe-N-C_SSM, respectively. These materials were characterized before and after two different accelerated stress tests (ASTs: 10 k cycles, 0.6-1.0 V vs. RHE, 3s-3s, 0.1 M H2SO4, 80°C) under Ar or O2 atmosphere. Stronger degradation and higher ORR mass activity loss were observed when the AST is performed in O2 vs. Ar-saturated acidic electrolyte. For AST under Ar condition, physicochemical characterisations revealed a demetallation process and the eventual occurrence of a clustering mechanism whereas for AST performed in O2 atmosphere, a decrease of the Fe content and the formation of Fe oxide particles was observed (Figure 1). Keywords: Electrocatalysis, Fe-N-C, Oxygen Reduction Reaction, Durability, PEMFC Acknowledgements These studies were financed by the French National Research Agency in the frame of the CAT2CAT (grant number n°ANR-16-CE05-0007) and the ANIMA (grant number n°ANR-19-CE05-0039) projects. References [1] E. Proietti, F. Jaouen, M. Lefèvre, N. Larouche, J. Tian, J. Herranz, J. P. Dodelet, Nat. Commun. 2011, 2, 416. [2] Y. Shao, J. P. Dodelet, G. Wu, P. Zelenay, Adv. Mater. 2019, 21, 1807615. [3] K. Kumar, T. Asset, X. Li, Y. Liu, X. Yan, Y. Chen, M. Mermoux, X. Pan, P. Atanassov, F. Maillard, L. Dubau, ACS Catal. 2021, 11, 484-494. [4] K. Kumar, P. Gairola, M. Lions, N. Ranjbar-Sahraie, M. Mermoux, L. Dubau, A. Zitolo, F. Jaouen, F. Maillard, ACS Catal. 2018, 8, 11264-11276. [5] K. Kumar, L. Dubau, M. Mermoux, J. Li, A. Zitolo, J. Nelayah, F. Jaouen, F. Maillard, Angew. Chem. 2020, 132, 3261-3269. Figure 1

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