Fe Single‐Atom Catalysts on MOF‐5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

微型多孔材料 材料科学 质子交换膜燃料电池 电解质 催化作用 化学工程 氧气 产量(工程) 多孔性 比表面积 碳纤维 纳米技术 电极 物理化学 化学 复合材料 有机化学 工程类 复合数
作者
Xiaoying Xie,Lu Shang,Xuyang Xiong,Run Shi,Tierui Zhang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (3) 被引量:281
标识
DOI:10.1002/aenm.202102688
摘要

Abstract The development of Fe single‐atom catalysts (Fe SACs) with abundant, accessible Fe sites is a key step toward enhancing the efficiency of the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In this study, Zn 4 O(1,4‐benzenedicarboxylate) 3 (MOF‐5), which has a 3D microporous cubic structure, is used as the precursor to prepare highly‐porous carbon (denoted as C‐MOF‐5) with an ultrahigh specific surface area (2751 m 2 g –1 ) and high external surface area (1651 m 2 g –1 ). C‐MOF‐5 is demonstrated as an effective carbon support to yield Fe SAC‐MOF‐5 with a large amount of accessible FeN x sites (2.35 wt%). Fe SAC‐MOF‐5 delivers a half‐wave potential of 0.83 V (vs RHE) in a 0.5 m H 2 SO 4 electrolyte, and achieves a peak power density of 0.84 W cm –2 in a 0.2 MPa H 2 ‐O 2 PEMFC. This excellent performance originates from the ultrahigh specific surface area of C‐MOF‐5 for the formation of a high density of single Fe atoms, and high external surface area for the increased exposure of active sites. This work may inspire the rational design of metal single‐atom catalysts derived from a wider range of MOF precursors with ultrahigh specific area to improve the performance of the oxygen reduction reaction in PEMFCs.
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