Improving Oxygen Electroreduction Efficiency of Porous Silicon‐based Catalysts via Atomic Iron Site‐Induced Lattice Expansion

催化作用 浸出(土壤学) 吸附 阴极 金属 纳米颗粒 化学工程 多孔性 氧气 化学 材料科学 氧化物 离解(化学) 无机化学 热处理 热分解 氧化铁 晶体结构 热稳定性 溶解 电化学 多相催化 烧结 电催化剂 热膨胀 协同催化 晶格常数 纳米 功率密度
作者
Man Wang,Jianming Liu,Xiangju Zhou,Changhao Liu,Jun Gu,Junfeng Zhang,Zhaosheng Li,Zhen‐Tao Yu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (50): e202516529-e202516529 被引量:1
标识
DOI:10.1002/anie.202516529
摘要

Developing non-noble metal-based catalysts as alternatives to precious metals for the 4 electron oxygen reduction reaction (ORR) in acidic conditions is crucial in advancing practical proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) technology. A significant challenge in designing these electrocatalysts is to suppress metal leaching and optimize the adsorption and dissociation free energy of oxygen intermediates during the reaction. Herein, a carbon-encapsulated porous silicon (Si) featuring single iron (Fe) sites was developed as an effective ORR catalyst through a one-step thermal reduction process using silica nanoparticles as precursors. This catalyst exhibited both impressive activity with half-wave potentials (E1/2) of 0.88 V and 0.95 V, alongside robust stability showing minimal decay of 7 and 4 mV after 40,000 potential cycles under acidic and alkaline conditions, respectively. Additionally, as a cathode catalyst in PEMFCs, it reached a peak power density of 0.63 W cm-2 in a 1.0 bar H2-O2 condition, while maintaining notable durability at a constant potential of 0.5 V over a duration of 100 h. Spectroscopic characterizations and theoretical calculations demonstrated that iron atoms were effectively integrated into the crystal lattice of porous Si, resulting in the formation of stable Si─Fe bonds that inhibited the leaching of Fe and the formation of *OOH intermediates, thereby enhancing the ORR performance. This approach facilitates the design of efficient and stable ORR catalysts, which hold significant implications for the advancement of next-generation PEMFCs.
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