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Chemical vapour deposition of Fe–N–C oxygen reduction catalysts with full utilization of dense Fe–N4 sites

催化作用 氧还原 材料科学 沉积(地质) 化学工程 化学 化学气相沉积 氧还原反应 还原(数学) 氧气 无机化学 纳米技术 物理化学 有机化学 电化学 电极 工程类 沉积物 数学 几何学 古生物学 生物
作者
Li Jiao,Jingkun Li,Lynne K. LaRochelle,Qiang Sun,Thomas Stracensky,Ershuai Liu,Moulay Tahar Sougrati,Zipeng Zhao,Fan Yang,Sichen Zhong,Hui Xu,Sanjeev Mukerjee,Yu Huang,David A. Cullen,Jae Hyung Park,Magali Ferrandon,Deborah J. Myers,Frédéric Jaouen,Qingying Jia
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (10): 1385-1391 被引量:560
标识
DOI:10.1038/s41563-021-01030-2
摘要

Replacing scarce and expensive platinum (Pt) with metal–nitrogen–carbon (M–N–C) catalysts for the oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cells has largely been impeded by the low oxygen reduction reaction activity of M–N–C due to low active site density and site utilization. Herein, we overcome these limits by implementing chemical vapour deposition to synthesize Fe–N–C by flowing iron chloride vapour over a Zn–N–C substrate at 750 °C, leading to high-temperature trans-metalation of Zn–N4 sites into Fe–N4 sites. Characterization by multiple techniques shows that all Fe–N4 sites formed via this approach are gas-phase and electrochemically accessible. As a result, the Fe–N–C catalyst has an active site density of 1.92 × 1020 sites per gram with 100% site utilization. This catalyst delivers an unprecedented oxygen reduction reaction activity of 33 mA cm−2 at 0.90 V (iR-corrected; i, current; R, resistance) in a H2–O2 proton exchange membrane fuel cell at 1.0 bar and 80 °C. Replacing platinum with metal–nitrogen–carbon catalysts for the oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cells has been impeded by low activity. These limitations have now been overcome by the trans-metalation of Zn–N4 sites into Fe–N4 sites.
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