JACS：Fe-N4和Sn-Nx协同促进ORR
学术
2024-12-03 20:44
上海
在质子交换膜燃料电池中部署具有嵌入金属-氮-碳（M-N-C）部分的多孔碳作为无铂族金属（PGM）电催化剂的一个巨大挑战是它们的快速降解和较差的活性。有鉴于此，田纳西大学Yingwen Cheng、美国西北太平洋国家实验室邵玉燕、布鲁克海文国家实验室Qin Wu等报道通过原子Sn-Nx位点来调节Fe-N4位点的局部环境，实现了同时提高耐久性和活性。要点1. 研究发现，Sn-Nx位点不仅促进形成更稳定的D2-FeN4C10位点，而且活化产生独特的D3-SnNx-FeIIN4位点，D3位点的特征是原子分散的桥接Sn-Nx和Fe-N4。D3位点的稳定性显著改善，因为反应途径从单位点缔合机制转变为双位点解离机制，相邻的Sn位点促进了O-O键在较低的过电位断裂，因此D3位点能够显著改善脱金属的稳定性，氧还原反应（ORR）的TOF提高了数倍。要点2. 这种机制能够避免脱金属不可避免的中间体（两个羟基中间体与一个铁位点结合）介孔Fe/Sn PNC催化剂的ORR半波电位朝正向偏移，产生的过氧化物降低了50%以上。通过稳定的D3位点和丰富的D2 Fe位点之间的结合，显著提高了催化剂的耐久性。Fan Xia, Bomin Li, Bowen An, Michael J. Zachman, Xiaohong Xie, Yiqi Liu, Shicheng Xu, Sulay Saha, Qin Wu*, Siyuan Gao, Iddrisu B. Abdul Razak, Dennis E. Brown, Vijay Ramani, Rongyue Wang, Tobin J. Marks, Yuyan Shao*, and Yingwen Cheng*, Cooperative Atomically Dispersed Fe–N4 and Sn–Nx Moieties for Durable and More Active Oxygen Electroreduction in Fuel Cells, J. Am. Chem. Soc. 2024DOI: 10.1021/jacs.4c11121https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c11121
