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

催化作用 质子交换膜燃料电池 浸出(土壤学) 吸附 金属 纳米颗粒 化学工程 化学 材料科学 氧化物 离解(化学) 无机化学 纳米技术 物理化学 冶金 土壤水分 土壤科学 工程类 生物化学 环境科学
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]
标识
DOI:10.1002/anie.202516529
摘要

Abstract 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 ( E 1/2 ) 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 H 2 –O 2 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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