Breaking the Linear Scaling Relations for the Oxygen Reduction Reaction with a Dual‐Atom Catalyst Composed of a MnFe‐Porphyrrole Aerogel

双金属片 气凝胶 催化作用 氧还原反应 缩放比例 密度泛函理论 化学工程 质子交换膜燃料电池 氧气 锰 功率密度 化学 无机化学 材料科学 交换电流密度 燃料电池 离子交换 电流密度 膜 电催化剂 纳米技术
作者
Eliana Lebowitz,Prasenjit Das,Łukasz Kielesiński,Leigh Peles‐Strahl,David A. Cullen,Ilya Grinberg,Daniel T. Gryko,Lior Elbaz
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (44): e202514013-e202514013 被引量:6
标识
DOI:10.1002/anie.202514013
摘要

Abstract Bimetallic catalysts offer enhanced catalytic performance through synergistic interactions between the two metals, allowing them to break the linear scaling relations and reach high electrocatalytic activity. This study presents bimetallic aerogel‐based catalyst synthesized as a covalent, three‐dimensional framework containing neighboring iron and manganese sites. The aerogel structure provides a high surface area and porosity, facilitating an ultra‐high active site density and efficient mass transport. The MnFe porphyrrole's unique structure is obtained by alternately linking Mn‐porphyrin and Fe‐corrole complexes. It exhibited outstanding performance with an onset potential of 0.99 V RHE . Comparative studies with a free‐base Fe porphyrrole catalyst ( E onset 0.97 V RHE ) revealed that while Mn incorporation led to only a slight improvement in half‐cell performance, it resulted in significantly enhanced performance in anion exchange membrane fuel cell. The MnFe catalyst achieved an OCV of 0.97 V and a peak power density of 0.27 W cm − 2 , outperforming the free‐base Fe counterpart. Using density functional theory calculations, we show that the higher ORR activity of MnFe‐porphyrrole is due to charge transfer between Mn and Fe atoms, which is absent in the reference free‐base Fe‐porphyrrole. These findings underscore the advantages of bimetallic catalysts in improving ORR activity and fuel cell efficiency by leveraging synergistic effects.
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