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在质子交换膜燃料电池中通过 Zr 掺杂促进 ZIF-8 衍生的 Fe-N-C 氧还原催化剂:耐久性和活性增强
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2023-03-13 , DOI: 10.1021/acscatal.2c06118 Bin Chi 1 , Longhai Zhang 1 , Xiaoxuan Yang 2 , Yachao Zeng 2 , Yijie Deng 3 , Mingrui Liu 1 , Junlang Huo 1 , Chaozhong Li 1 , Xiaorong Zhang 1 , Xiudong Shi 1 , Yijia Shao 1 , Lin Gu 4 , Lirong Zheng 5 , Zhiming Cui 1 , Shijun Liao 1 , Gang Wu 2
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2023-03-13 , DOI: 10.1021/acscatal.2c06118 Bin Chi 1 , Longhai Zhang 1 , Xiaoxuan Yang 2 , Yachao Zeng 2 , Yijie Deng 3 , Mingrui Liu 1 , Junlang Huo 1 , Chaozhong Li 1 , Xiaorong Zhang 1 , Xiudong Shi 1 , Yijia Shao 1 , Lin Gu 4 , Lirong Zheng 5 , Zhiming Cui 1 , Shijun Liao 1 , Gang Wu 2
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原子分散的铁位点和氮共掺杂碳催化剂 (Fe-N-C) 在质子交换膜燃料电池的酸中取代 Pt 进行氧还原反应 (ORR) 方面表现出良好的性能。然而,Fe-N-C 催化剂的耐久性不足严重阻碍了它们的实际应用。在此,我们报道了将 Zr 和 Fe 双金属位点共掺杂到 ZIF-8 衍生的中孔碳中显示出显着改善的 ORR 耐久性。特别是,来自 ORR 阴极催化剂的膜电极组件在恒定电流密度下连续运行 20 小时后仅损失 25% 的电压。经过长达 100 小时的延长测试后,Zr 掺杂的 Fe-N-C 催化剂保留了其初始性能的 40%,优于未掺杂 Zr 的催化剂,仅 20 小时后活性损失超过 70%。阴极还显示出显着改善的 ORR 活性,实现了 0.72 W cm 的最大功率密度–2在 H 2 /空气条件下。广泛的实验表征和密度泛函理论计算表明,促进的催化活性和稳定性是由于形成了 Zr 基活性位点,与单个 Fe 位点相比具有增强的酸性耐受性。此外,Zr 的掺杂可以抑制 H 2 O 2和其他自由基的形成,从而减轻活性位点的降解。可能的 Fe/Zr 双金属活性位点,即 N 2 (N)–Fe–N 2 –Zr–N 2 (O 2 ),相对于传统的 FeN x位点,可能具有增强的固有 ORR 活性。
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更新日期:2023-03-13
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