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Fe Single-Atom Catalysts on MOF-5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells
Advanced Energy Materials ( IF 24.4 ) Pub Date : 2021-12-15 , DOI: 10.1002/aenm.202102688 Xiaoying Xie 1 , Lu Shang 1 , Xuyang Xiong 1 , Run Shi 1 , Tierui Zhang 1, 2
Advanced Energy Materials ( IF 24.4 ) Pub Date : 2021-12-15 , DOI: 10.1002/aenm.202102688 Xiaoying Xie 1 , Lu Shang 1 , Xuyang Xiong 1 , Run Shi 1 , Tierui Zhang 1, 2
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The development of Fe single-atom catalysts (Fe SACs) with abundant, accessible Fe sites is a key step toward enhancing the efficiency of the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In this study, Zn4O(1,4-benzenedicarboxylate)3 (MOF-5), which has a 3D microporous cubic structure, is used as the precursor to prepare highly-porous carbon (denoted as C-MOF-5) with an ultrahigh specific surface area (2751 m2 g–1) and high external surface area (1651 m2 g–1). C-MOF-5 is demonstrated as an effective carbon support to yield Fe SAC-MOF-5 with a large amount of accessible FeNx sites (2.35 wt%). Fe SAC-MOF-5 delivers a half-wave potential of 0.83 V (vs RHE) in a 0.5 m H2SO4 electrolyte, and achieves a peak power density of 0.84 W cm–2 in a 0.2 MPa H2-O2 PEMFC. This excellent performance originates from the ultrahigh specific surface area of C-MOF-5 for the formation of a high density of single Fe atoms, and high external surface area for the increased exposure of active sites. This work may inspire the rational design of metal single-atom catalysts derived from a wider range of MOF precursors with ultrahigh specific area to improve the performance of the oxygen reduction reaction in PEMFCs.
中文翻译:
MOF-5 衍生碳上的 Fe 单原子催化剂用于质子交换膜燃料电池中的高效氧还原反应
开发具有丰富、可接近的 Fe 位点的 Fe 单原子催化剂 (Fe SAC) 是提高质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 中氧还原反应 (ORR) 效率的关键一步。本研究以具有 3D 微孔立方结构的 Zn 4 O(1,4-benzodicarboxylate) 3 (MOF-5) 为前驱体制备高孔碳(记为 C-MOF-5),超高比表面积 (2751 m 2 g –1 ) 和高外表面积 (1651 m 2 g –1 )。C-MOF-5 被证明是一种有效的碳载体,可以产生具有大量可接近 FeN x的 Fe SAC-MOF-5位点(2.35 wt%)。Fe SAC-MOF-5 在 0.5 m H 2 SO 4电解液中提供 0.83 V (vs RHE) 的半波电位,在 0.2 MPa H 2 -O 2中达到 0.84 W cm –2的峰值功率密度PEMFC。这种优异的性能源于 C-MOF-5 的超高比表面积可形成高密度的单个 Fe 原子,以及高外表面积可增加活性位点的暴露。这项工作可能会激发金属单原子催化剂的合理设计,这些催化剂来源于更广泛的具有超高比面积的 MOF 前驱体,以提高 PEMFC 中氧还原反应的性能。
更新日期:2022-01-21
中文翻译:
MOF-5 衍生碳上的 Fe 单原子催化剂用于质子交换膜燃料电池中的高效氧还原反应
开发具有丰富、可接近的 Fe 位点的 Fe 单原子催化剂 (Fe SAC) 是提高质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 中氧还原反应 (ORR) 效率的关键一步。本研究以具有 3D 微孔立方结构的 Zn 4 O(1,4-benzodicarboxylate) 3 (MOF-5) 为前驱体制备高孔碳(记为 C-MOF-5),超高比表面积 (2751 m 2 g –1 ) 和高外表面积 (1651 m 2 g –1 )。C-MOF-5 被证明是一种有效的碳载体,可以产生具有大量可接近 FeN x的 Fe SAC-MOF-5位点(2.35 wt%)。Fe SAC-MOF-5 在 0.5 m H 2 SO 4电解液中提供 0.83 V (vs RHE) 的半波电位,在 0.2 MPa H 2 -O 2中达到 0.84 W cm –2的峰值功率密度PEMFC。这种优异的性能源于 C-MOF-5 的超高比表面积可形成高密度的单个 Fe 原子,以及高外表面积可增加活性位点的暴露。这项工作可能会激发金属单原子催化剂的合理设计,这些催化剂来源于更广泛的具有超高比面积的 MOF 前驱体,以提高 PEMFC 中氧还原反应的性能。