Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment

催化作用 杂原子 乙醇 金属 碳纤维 燃料电池 化学 直接乙醇燃料电池 氧气 氧化还原 材料科学 化学工程 无机化学 质子交换膜燃料电池 有机化学 戒指(化学) 复合数 工程类 复合材料
作者
Jinfa Chang,Guanzhi Wang,Maoyu Wang,Qi Wang,Boyang Li,Hua Zhou,Yuanmin Zhu,Wei Zhang,Mahmoud Omer,Nina Orlovskaya,Qing Ma,Meng Gu,Zhenxing Feng,Guofeng Wang,Yang Yang
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:6 (12): 1144-1153 被引量:249
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00940-4
摘要

The local coordination environment around catalytically active sites plays a vital role in tuning the activity of electrocatalysts made of carbon-supported metal nanoparticles. However, the rational design of electrocatalysts with improved performance by controlling this environment is hampered by synthetic limitations and insufficient mechanistic understanding of how the catalytic phase forms. Here we show that introducing F atoms into Pd/N–C catalysts modifies the environment around the Pd and improves both activity and durability for the ethanol oxidation reaction and the oxygen reduction reaction. Our data suggest that F atom introduction creates a more N-rich Pd surface, which is favourable for catalysis. Durability is enhanced by inhibition of Pd migration and decreased carbon corrosion. A direct ethanol fuel cell that uses the Pd/N–C catalyst with F atoms introduced for both the ethanol oxidation reaction and oxygen reduction reaction achieves a maximum power density of 0.57 W cm−2 and more than 5,900 hours of operation. Pd/C catalysts containing other heteroatoms (P, S, B) can also be improved through the addition of F atoms.
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