Converting Fe–N–C single‐atom catalyst to a new FeNxSey cluster catalyst for proton‐exchange membrane fuel cells

催化作用 质子交换膜燃料电池 星团(航天器) 质子 Atom(片上系统) 燃料电池 材料科学 化学 化学工程 物理 计算机科学 核物理学 工程类 有机化学 生物化学 嵌入式系统 程序设计语言
作者
Yang Zhao,Pengfei Yin,Yuanyuan Yang,Ruguang Wang,Cairong Gong,Jisi Li,Jiaxin Guo,Quanlu Wang,Tao Ling
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202419501
摘要

Fe-N-C catalyst is the most promising alternative to platinum catalyst for proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs), however its high performance cannot be maintained for a long enough time in device. The construction of a new Fe coordination environment that is different from the square-planar Fe-N 4 configuration in Fe-N-C catalyst is expected to break current stability limits, which however remains unexplored. Here, we report the conversion of Fe-N-C to a new FeNxSey catalyst, where the Fe sites are three-dimensionally (3D) co-coordinated by N and Se atoms. The FeNxSey catalyst exhibits much better 4e- ORR activity and selectivity than the Fe-N-C catalyst. Specifically, the yields of H2O2 and ·OH radicals on FeNxSey are only one-quarter and one-third of that on Fe-N-C, respectively. Therefore, the FeNxSey catalyst exhibits outstanding stability, losing only 10 mV in E1/2 after 10,000 cycles, much smaller than that of the Fe-N-C catalyst (56 mV), representing the most stable Pt-free catalysts ever reported. Moreover, the 3D co-coordination structure inhibits the Fe demetallization in the presence of H2O2. As a result, the FeNxSey based PEMFC shows excellent durability, with the current density attenuation significantly lower than that of the Fe-N-C based device after accelerated durability testing.
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