Metal–Organic-Framework-Derived Co–Fe Bimetallic Oxygen Reduction Electrocatalysts for Alkaline Fuel Cells

双金属片 电催化剂 化学 化学工程 合金 扫描透射电子显微镜 催化作用 纳米技术 透射电子显微镜 材料科学 电化学 电极 有机化学 工程类 物理化学
作者
Yin Xiong,Yao Yang,Francis J. DiSalvo,Héctor D. Abruña
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (27): 10744-10750 被引量:213
标识
DOI:10.1021/jacs.9b03561
摘要

The oxygen reduction reaction (ORR) is considered the cornerstone for regenerative energy conversion devices involving fuel cells and electrolyzers. The development of non-precious-metal electrocatalysts is of paramount importance for their large-scale commercialization. Here, Co-Fe binary alloy embedded bimetallic organic frameworks (BMOF)s based on carbon nanocomposites have been designed with a compositionally optimized template, by a facile host-guest strategy, for ORR in alkaline media. The electrocatalyst exhibits promising electrocatalytic activity for ORR with a half-wave potential of 0.89 V in 0.1 M NaOH, comparable to state-of-the-art Pt/C electrocatalysts. More importantly, it exhibits robust durability after 30 000 potential cycles. Scanning transmission electron microscopy (STEM) and quantitative energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy suggest that the Co-Fe alloy nanoparticles have a homogeneous elemental distribution of Co and Fe at the atomic-scale optimized BMOF and Co/Fe ratio of 9:1. The long-term durability is attributed to its ability to maintain its structural and compositional integrity after the cycling process, as evidenced by STEM-EDX analysis. This work provides valuable insights into the design and fabrication of novel platinum-group-metals-free highly active ORR electrocatalysts in alkaline media.
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