プロトン交換膜燃料電池におけるリンカー基指向性高質量活性Fe-N-Cカソード

科学分野:

• 材料科学;電気化学;触媒作用

背景:

• 原子状に分散したFe-N-C触媒は、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の白金族金属（PGM）触媒の有望な代替品です。;膜電極接合体（MEA）における活性サイトの利用率不足が性能を制限しています。;効率的で費用対効果の高い触媒の開発は、PEMFCの普及に不可欠です。

研究 の 目的:

• PEMFC用の活性サイト密度と利用率を高めた高質量活性酸素官能化鉄-窒素-炭素（O-FeNC）触媒を開発すること。;カルボニル（C=O）基がFeN4サイトの緻密化と界面配向を促進する役割を調査すること。;開発されたO-FeNC触媒の電気化学的性能とスケーラビリティを評価すること。

主な方法:

• カルボニル基を組み込んだO-FeNC触媒の合成。;触媒構造と活性サイトの特性評価。;電流密度と電力密度の測定を含む、PEMFCでの電気化学的試験。;イオンマーナノ相分離と酸素透過の評価。

主要な成果:

• O-FeNC触媒は高いサイト密度と利用率を達成し、0.90 V_iR-freeでの電流密度66.45 mA cm^-2で米国エネルギー省2025年目標を上回りました。;質量活性は市販のPt/Cよりも59%高かったです。;ピーク電力密度は1.8 W cm^-2（H₂-O₂）および0.93 W cm^-2（H₂-air）を達成しました。;グラムスケール合成と500 W PGMフリーカソードスタックプロトタイプが工業的スケーラビリティを示しました。

結論:

• カルボニル基はFeN4サイトの緻密化と界面配向を効果的に促進し、触媒性能を向上させます。;O-FeNC触媒は、PEMFC用の実行可能で高性能なPGMフリー代替品を提供します。;実証されたスケーラビリティは、燃料電池技術における商業的応用の可能性を示唆しています。