氧还原反应过程中双电子途径产生的过氧化氢（
H
2
O
2
）
对
N-C
和
Fe-N-C
催化剂在燃料电池的稳定性运行不利。其中，关键科学问题在于：如何快速去除这些有害的中间物种，从而提高稳定性
。
近日，
重庆大学魏子栋教授和丁炜教授
等人
在
Science China Materials
发表
研究论文，
报道了
Fe-N-C
催化剂的稳定性与
H
2
O
2
分解的动力学常数呈正相关
。
1)
通过使用指前因子从
800
到
30000 s
-1
的
TiO
2
、
CeO
2
和
ZrO
2
来调控
H
2
O
2
分解动力学，可以发现在
100
小时的稳定性测试中
Fe-N-C
催化剂的衰减率从
0.151%
降至
-0.1%
。
2)
指前因子为
30000 s
-1
的
Fe-N-C/ZrO
2
催化剂在
100
小时稳定性测试中的电流密度增加了
10%
，其组装的阴离子交换膜燃料电池连续在
0.7 V
的高电位下运行
15
小时几乎没有衰减。
本文将收录于“
2025 Emerging Investigator Issue
”。
Figure 1.
Structural characterization of the Fe-N-C, Fe-N-C/ZrO
2
, Fe-N-C/CeO
2
, Fe-N-C/TiO
2
. (a) TEM and HRTEM images; (b) N
2
adsorption and desorption isotherms along with BET surface areas; (c) XRD spectrum.
Figure 2.
(a‒d) ORR polarization curves before and after 10,000 cycles cyclic voltammetry aging test of Fe-N-C catalysts with different oxide addition in O
2
-saturated 0.1 M KOH at a rotating speed of 1600 r min
−1
. (a) pure Fe-N-C, (b) Fe-N-C/TiO
2
, (c) Fe-N-C/CeO
2
, (d) Fe-N-C/ZrO
2
; (e)
I-t
curve for Fe-N-C, Fe-N-C/TiO
2
, Fe-N-C/CeO
2
and Fe-N-C/ZrO
2
at 0.7 V
RHE
in O
2
-saturated 0.1 M KOH electrolyte using the gas diffusion electrode.
Figure 3.
(a) The frequency factor of Arrhenius equation and τ
1/2
for H
2
O
2
decomposition obtained from the reference. (b) The relationship between the kinetics rate of H
2
O
2
decomposition and the catalysts stability results.
Figure 4.
Anion exchange membrane fuel cell stability performance. (a, c, e) Polarization curves and the corresponding power densities of a single AEMFC fabricated with commercial PtRu/C as anode catalysts and composited Fe-N-C as cathode catalyst. Test condition: Anion-Exchange Membrane (PiperION-A20), H
2
/O
2
at a back-pressure of 2.0 bar and temperature of 80 °C. (b, d, f) The stability test of Fe-N-C catalysts, Fe-N-C/CeO
2
, and Fe-N-C/ZrO
2
in AEMFC with a constant potential of 0.7 V.
Zhenyang Xie, Chunyan Zhang, Zhuoyang Xie, Zude Shen, Linsen Liu, Li Li, Wei Ding, Zidong Wei
.
Hypervelocity kinetics blocks harmful intermediates to enhance stability of Fe-N-C catalysts.
Sci. China Mater. (2024).
https://doi.org/10.1007/s40843-024-3179-5
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