Fe–N–C electrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport for high-performance proton exchange membrane fuel cells

质子交换膜燃料电池 催化作用 电催化剂 巴(单位) 铂金 电解质 阴极 材料科学 化学工程 化学 纳米技术 电极 物理 电化学 有机化学 工程类 物理化学 气象学
作者
Xin Wan,Xiaofang Liu,Yongcheng Li,Ronghai Yu,Lirong Zheng,Wensheng Yan,Hui Wang,Ming Xu,Jianglan Shui
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:2 (3): 259-268 被引量:963
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0237-3
摘要

To achieve the US Department of Energy 2018 target set for platinum-group metal-free catalysts (PGM-free catalysts) in proton exchange membrane fuel cells, the low density of active sites must be overcome. Here, we report a class of concave Fe–N–C single-atom catalysts possessing an enhanced external surface area and mesoporosity that meets the 2018 PGM-free catalyst activity target, and a current density of 0.047 A cm–2 at 0.88 ViR-free under 1.0 bar H2–O2. This performance stems from the high density of active sites, which is realized through exposing inaccessible Fe–N4 moieties (that is, increasing their utilization) and enhancing the mass transport of the catalyst layer. Further, we establish structure–property correlations that provide a route for designing highly efficient PGM-free catalysts for practical application, achieving a power density of 1.18 W cm−2 under 2.5 bar H2–O2, and an activity of 129 mA cm−2 at 0.8 ViR-free under 1.0 bar H2–air. Iron single-atom catalysts are among the most promising fuel cell cathode materials in acid electrolyte solution. Now, Shui, Xu and co-workers report concave-shaped Fe–N–C nanoparticles with increased availability of active sites and improved mass transport, meeting the US Department of Energy 2018 target for platinum-group metal-free fuel cell catalysts.
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