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Yolk-shell Fe-N-C catalysts with optimized mass transfer for improved oxygen reduction performance

催化作用 材料科学 化学工程 拉曼光谱 氧气 耐久性 燃料电池 传质 氧还原反应 表征(材料科学) 功率密度 质子交换膜燃料电池 下降(电信) 金属 合理设计 电压降 分子 还原(数学) 无机化学 电流密度 纳米技术 化学 电压 氧还原 电子转移
作者
Yalin Liu,Min Chen,Yurong Liu,Tianyu Qiu,Qingrong Chen,Ruisong Li,Jing Li,Qinhe Pan,Xiaodong Shi,Zhenye Kang,Yonghao Xiao,Zhuoliang Jiang,Xinlong Tian,Peng Rao
标识
DOI:10.26599/nre.2026.9120223
摘要

Abstract Atomic dispersed Fe-based catalysts (Fe-N-C) are a promising class of non-noble metal oxygen reduction reaction (ORR) materials. However, their practical application is severely limited by slow mass transfer and insufficient oxygen supply at device level, like the fuel cells. Herein, we report a rational design of a unique yolk-shell nanostructured catalyst (Fe-N-CT) with triple-layer actives site distribution, exhibiting competitive ORR performance. Comprehensive characterization confirms its unique yolk-shell nanostructure, showing that the Fe-Nx moieties are atomically dispersed in the core, inner shell, and outer surface, significantly improving the active site density. Fe-N-CT exhibits excellent ORR activity and stability in acidic media. Integration into an H2-air fuel cell achieves a peak power density of 496 mW·cm−2 and maintained stable operation with minimal voltage drop during 30,000 accelerated durability cycles. In-situ Raman spectroscopy and COMSOL simulations show that the unique yolk-shell structure acts as an oxygen reservoir, enriching O2 molecules and reducing mass transfer polarization, thereby achieving excellent ORR performance at the device level.
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