设计具有密集原子位的Co-N/C阴极催化剂,以提高PEMFC性能

科学领域:

• 电化学 电化学 电化学
• 材料科学 材料科学 材料科学
• 催化剂是一种催化剂.

背景情况:

• 非白金组催化剂对于燃料电池中的酸氧还原反应 (ORR) 是至关重要的.
• 金属-/碳 (M-N/C) 催化剂,特别是基于Fe,Co或Mn的催化剂,显示出有前途.
• 高催化剂负载可以提高性能,但往往会导致聚合.

研究的目的:

• 为了合成和表征一个高负荷的Co-N/C催化剂,只有原子位.
• 评估催化剂在氧降解反应 (ORR) 和质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 中的性能.
• 为了研究活性位点密度和燃料电池整体性能之间的关系.

主要方法:

• 用3重%的合成一个Co-N/C催化剂.
• 扩展的X射线吸收细结构 (EXAFS) 分析以确定协调环境.
• 化物剥离方法用于量化电化学活性位点.
• 旋转环盘电极 (RRDE) 测量ORR活动.
• 单细胞PEMFC测试. 一个单细胞的PEMFC测试.

主要成果:

• 优化的催化剂, (3.0) Co-N/CΔ,具有四金的 Co-N4 协调和专门的原子位.
• 活动位点的密度很高 (3.58 × 10^19 g-1位点).
• 观察到优异的ORR活性 (E1/2 = 0.76V在0.2mgcm−2负载下),其质量活性为3.5Ag−1在0.80V下.
• 在H2-O2 PEMFC中,峰值功率密度超过1.3W cm−2.
• 与Fe-N/C催化剂相比,燃料电池的性能是可比的,尽管Co.站点的内在周转频率较低.

结论:

• 在M-N/C催化剂中的高负荷可以显著增加活性位点密度.
• 在Co-N4配置中的原子位对ORR非常有效.
• 实现高位点密度对于最大限度地提高燃料电池中的催化剂性能至关重要,与内在活性较高但位点密度较低的催化剂相比.