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Degradation of FeNC Electrocatalysts for Acidic and Alkaline Oxygen Reduction

化学 催化作用 降级(电信) 电化学 氧气 吸附 碳纤维 氧化还原 化学工程 氧还原 氧还原反应 无机化学 氮气 反应机理 密度泛函理论 多相催化 碱金属 析氧 过渡金属
作者
Weiwei Chen,Yanyang Qin,C. L. Heng,Shifu Wang,Mengshu Ge,Yangfan Li,Xin Wan,Xuning Li,Jianglan Shui,Yaqiong Su,Dong Su
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (39): 35730-35741 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11985
摘要

Iron-nitrogen-carbon (FeNC) catalysts represent promising alternatives to platinum-group metals for the oxygen reduction reaction (ORR) in energy conversion technologies. However, their operational stability remains a critical challenge. In this study, we unravel the distinct degradation mechanisms and active-site behaviors of FeNC catalysts under acidic and alkaline ORR conditions. Intriguingly, catalysts subjected to electrochemical cycling in acidic media but tested in alkaline conditions exhibit nearly preserved ORR activity, revealing that degradation pathways differ fundamentally between the two environments. With the help of density functional theory calculations, we identify Fe-centered sites as the primary active centers in acidic media, whereas under alkaline conditions─where hydroxyl adsorption passivates Fe sites─neighboring carbon atoms adjacent to nitrogen become the dominant active sites. The Mössbauer spectroscopy results show that under acidic cycling, pyrrolic nitrogen-coordinated Fe (S1) sites suffer a significant loss while the pyridinic nitrogen-coordinated Fe (S2) sites retain high stability. In contrast, during alkaline cycling, Fe site losses are minimal, while the carbon support undergoes more severe corrosion. By selectively engineering the Fe sites and carbon support, we experimentally validated the conclusions on the active sites. This work provides critical insights into the site-dependent durability of FeNC catalysts and underscores the necessity of tailored catalyst design for stable and efficient ORR across diverse operating conditions.
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