Nonprecious transition metal nitrides as efficient oxygen reduction electrocatalysts for alkaline fuel cells

氮化物 材料科学 化学工程 纳米技术 催化作用 氧化物 过渡金属 阴极 无机化学 化学 冶金 生物化学 工程类 物理化学 图层(电子)
作者
Rui Zeng,Yao Yang,Xinran Feng,Huiqi Li,Lauryn M. Gibbs,Francis J. DiSalvo,Héctor D. Abruña
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:8 (5) 被引量:180
标识
DOI:10.1126/sciadv.abj1584
摘要

Hydrogen fuel cells have attracted growing attention for high-performance automotive power but are hindered by the scarcity of platinum (and other precious metals) used to catalyze the sluggish oxygen reduction reaction (ORR). We report on a family of nonprecious transition metal nitrides (TMNs) as ORR electrocatalysts in alkaline medium. The air-exposed nitrides spontaneously form a several-nanometer-thick oxide shell on the conductive nitride core, serving as a highly active catalyst architecture. The most active catalyst, carbon-supported cobalt nitride (Co3N/C), exhibited a half-wave potential of 0.862 V and achieved a record-high peak power density among reported nitride cathode catalysts of 700 mW cm-2 in alkaline membrane electrode assemblies. Operando x-ray absorption spectroscopy studies revealed that Co3N/C remains stable below 1.0 V but experiences irreversible oxidation at higher potentials. This work provides a comprehensive analysis of nonprecious TMNs as ORR electrocatalysts and will help inform future design of TMNs for alkaline fuel cells and other energy applications.
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