Electronic Enhancement Engineering by Atomic Fe–N4 Sites for Highly‐Efficient PEMFCs: Tailored Electric‐Thermal Field on Pt Surface

材料科学 离解(化学) 介孔材料 拉曼光谱 密度泛函理论 吸附 催化作用 电化学 纳米颗粒 金属 纳米技术 化学工程 物理化学 电极 计算化学 化学 有机化学 物理 工程类 光学 冶金
作者
Kun Wang,Hao Yang,Qiushi Wang,Jinli Yu,Yu He,Yifan Wang,Shuqin Song,Yi Wang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (14) 被引量:42
标识
DOI:10.1002/aenm.202204371
摘要

Abstract Lowering noble‐metal Pt usage and simultaneously enhancing electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) activity and stability of Pt‐based ORR electrocatalysts is the key to realize the large‐scale application of fuel cells. Here, an effective strategy is developed to reduce Pt usage through the strong electron interaction between uniform Pt nanoparticles (≈4.0 nm) and abundant atomically dispersed Fe–N4 sites modified on an ordered mesoporous carbon (OMC) surface for efficiently enhancing ORR performance. Density functional theory (DFT) calculations show that the strong electron interactions between Pt and Fe–N4 sites decrease the d‐band center of Pt in Pt@Fe–N–OMC‐2 by 0.21 eV relative to that of as‐prepared Pt@OMC, indicating the weakened O2 adsorption and accelerated desorption of oxygenated species on Pt sites. In situ Raman spectra demonstrate that the introduction of Fe–N4 moieties promotes the O–OH dissociation process. Finite element method simulations reveal that the electric and thermal field of the embedded Pt nanoparticle surface is enhanced through modifying Fe–N4 sites on the OMC surface, accelerating the accumulation of ORR‐related species (O2, H+, and H2O), which is conductive to electrocatalyzing the ORR. This innovative approach not only illustrates the synergistic mechanism between Pt and Fe–N4 sites, but also simultaneously provides new avenues to design advanced electrocatalysts for fuel cells.
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