Hydrogen Peroxide Spillover on Platinum–Iron Hybrid Electrocatalyst for Stable Oxygen Reduction

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作者
Huiting Niu,Lei Huang,Yanyang Qin,Ruijuan Qi,Bingbao Mei,Dan Wu,Fumin Li,Bo You,Qing Li,Yonggang Yao,Ziyun Wang,Tao Yao,Shujiang Ding,Wei Guo,Yu Chen,Yaqiong Su,Fei Song,Bao Yu Xia
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (32): 22650-22660 被引量:103
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06904
摘要

Iron–nitrogen–carbon (Fe–N–C) catalysts, although the most active platinum-free option for the cathodic oxygen reduction reaction (ORR), suffer from poor durability due to the Fe leaching and consequent Fenton effect, limiting their practical application in low-temperature fuel cells. This work demonstrates an integrated catalyst of a platinum–iron (PtFe) alloy planted in an Fe–N–C matrix (PtFe/Fe–N–C) to address this challenge. This novel catalyst exhibits both high-efficiency activity and stability, as evidenced by its impressive half-wave potential (E1/2) of 0.93 V versus reversible hydrogen electrode (vs RHE) and minimal 7 mV decay even after 50,000 potential cycles. Remarkably, it exhibits a very low hydrogen peroxide (H2O2) yield (0.07%) at 0.6 V and maintains this performance with negligible change after 10,000 potential cycles. Fuel cells assembled with this cathode PtFe/Fe–N–C catalyst show exceptional durability, with only 8 mV voltage loss at 0.8 A cm–2 after 30,000 cycles and ignorable current degradation at a voltage of 0.6 V over 85 h. Comprehensive in situ experiments and theoretical calculations reveal that oxygen species spillover from Fe–N–C to PtFe alloy not only inhibits H2O2 production but also eliminates harmful oxygenated radicals. This work paves the way for the design of highly efficient and stable ORR catalysts and has significant implications for the development of next-generation fuel cells.
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