Pd1Ni2 Trimer Sites Drive Efficient and Durable Hydrogen Oxidation in Alkaline Media

化学 三聚体 过电位 催化作用 阳极 化学工程 电极 物理化学 有机化学 电化学 二聚体 工程类
作者
Shuqi Wang,Ze‐Cheng Yao,Zhuo‐Qi Shi,Xuerui Liu,Tang Tang,Hairui Pan,Lirong Zheng,Qinghua Zhang,Dong Su,Zhongbin Zhuang,Lu Zhao,Qi An,Jin‐Song Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (6): 5398-5407
标识
DOI:10.1021/jacs.4c17605
摘要

Anion-exchange membrane fuel cell (AEMFC) is a cost-effective hydrogen-to-electricity conversion technology under a zero-emission scenario. However, the sluggish kinetics of the anodic hydrogen oxidation reaction (HOR) impedes the commercial implementation of AEMFCs. Here, we develop a Pd single-atom-embedded Ni3N catalyst (Pd1/Ni3N) with unconventional Pd1Ni2 trimer sites to drive efficient and durable HOR in alkaline media. Integrating theoretical and experimental analyses, we demonstrate that dual Pd1Ni2 sites achieve a "*H on Pd1Ni2-HV + *OH on Pd1Ni2-HN" adsorption mode, effectively weakening the overstrong *H and *OH adsorptions on pristine Ni3N. Owing to the unique coordination mode and atomically dispersed catalytic sites, the resulting Pd1/Ni3N catalyst delivers a high intrinsic and mass activity together with excellent antioxidation capability and CO tolerance. Specifically, the HOR mass activity of Pd1/Ni3N reaches 7.54 A mgPd-1 at the overpotential of 50 mV. The AEMFC employing Pd1/Ni3N as the anode catalyst displays a high power density of 31.7 W mgPd-1 with an ultralow anode precious metal loading of only 0.023 mgPd cm-2. This study provides guidance for the design of high-performance alkaline HOR catalytic sites at the atomic level.
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