Unravelling the Stability Stressors of Atomically Dispersed Fe–N–C Oxygen Reduction Catalysts

化学 催化作用 降级(电信) 氧气 碳纤维 氧还原 活性氧 膜 化学稳定性 化学工程 氧化还原 无机化学 阴极保护 燃料电池 氯 小学(天文学) 选择性催化还原 激进的 活性氧
作者
Xiaohong Xie,Boyang Li,Pan Xu,Moulay Tahar Sougrati,Ricardo García‐Serres,David A. Cullen,Arthur Jeremy Kropf,Fan Xia,Miao Song,Sulay Saha,Yachao Zeng,Mark Engelhard,Mark Bowden,Hanguang Zhang,Litao Yan,Teresa Lemmon,Xiaohong S. Li,Ulises Martinez,Yingwen Cheng,Gang Wu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (52): 48117-48126 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.5c15451
摘要

Enhancing the catalytic stability of Fe–N–C catalysts for cathodic oxygen reduction in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) necessitates an in-depth understanding of their degradation mechanisms. This study identifies key stressors affecting the stability of Fe–N–C catalysts, specifically acidic environment, oxygen (O 2 ), and reactive oxygen species (ROS). Through ex situ/operando experiments, we show that the oxidation of local carbon by acidic environment + O 2 + ROS, along with the demetalation of catalytic FeN x C y sites by O 2 or O 2 + ROS, is the primary factor responsible for the initial fast degradation of Fe–N–C catalysts. The demetalation of FeN x C y sites, influenced by O 2, in particular by O 2 + ROS, leads to the subsequent gradual degradation of Fe–N–C. Notably, FeN 4 C 12 -type active sites are more susceptible to demetalation than FeN 4 C 10 -type sites in O 2 or O 2 + ROS. Our findings indicate that, besides constructing more stable FeN x C y sites, preventing local carbon oxidation and scavenging of ROS are all critical for maintaining the stability of Fe–N–C catalysts.
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