In Situ Probing and Phosphate-Assisted Recovery of Proton Transfer to Eliminate H 2 O 2 Formation in the Oxygen Reduction Reaction

化学 催化作用 质子交换膜燃料电池 电子转移 质子 选择性 阴极 磷酸盐 氢 金属 无机化学 氧化还原 化学工程 光化学 物理化学 有机化学 物理 量子力学 工程类
作者
Xiang Li,Chuanqi Cheng,Qingqing Ruan,Ying Gao,Lingjun Kong,Yanmei Shi,Bin Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (28): 24984-24992 被引量:49
标识
DOI:10.1021/jacs.5c07815
摘要

Single-atom Fe–N–C is a promising candidate for the oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). However, under strongly acidic conditions, Fe–N–C suffers from severe oxidation from Fenton reactions caused by trace amounts of dissolved Fe and a 2-electron (2e) ORR product of H 2 O 2 . Herein, we demonstrate a facile and general strategy to nearly eliminate the 2e path of the ORR by introducing phosphates. We discover that bubbling O 2 into water introduces an inherent problem in breaking the hydrogen-bond network and thus hindering proton transfer, resulting in a decreased 4e ORR selectivity. Introducing phosphates is found to recover the hydrogen-bond network to eliminate the 2e path. This strategy works well for Fe–N–C, commercial Pt/C, and even carbon catalysts with a dominant 2e selectivity, resulting in negligible H 2 O 2 production and better stability in both the rotating ring-disk electrode system and flow cell. Our work provides deep insight into the ORR mechanism and a useful strategy to lower the cost and lengthen the lifetime of PEMFCs by using nonnoble metal electrocatalysts as cathodes.
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