Boost the Utilization of Dense FeN₄ Sites for High-Performance Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Abstract

Iron-nitrogen-carbon (Fe-N-C) catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have seriously been hindered by their poor ORR performance of Fe-N-C due to the low active site density (SD) and site utilization. Herein, we reported a melamine-assisted vapor deposition approach to overcome these hindrances. The melamine not only compensates for the loss of nitrogen caused by high-temperature pyrolysis but also effectively etches the carbon substrate, increasing the external surface area and mesoporous porosity of the carbon substrate. These can provide more useful area for subsequent vapor deposition on active sites. The prepared 0.20Mela-FeNC catalyst shows a fourfold higher SD value and site utilization than the FeNC without the treatment of melamine. As a result, 0.20Mela-FeNC catalyst exhibits a high ORR activity with a half-wave potential (E_1/2) of 0.861 V and 12-fold higher ORR mass activity than the FeNC in acidic media. As the cathode in a H₂-O₂ PEMFCs, 0.20Mela-FeNC catalyst demonstrates a high peak power density of 1.30 W cm⁻², outstripping most of the reported Fe-N-C catalysts. The developed melamine-assisted vapor deposition approach for boosting the SD and utilization of Fe-N-C catalysts offers a new insight into high-performance ORR electrocatalysts.

Keywords

fuel cells / melamine / oxygen reduction reaction / site density / utilization

References

[1] M. K. Debe , Nature 2012, 486, 43.

[2] U. A. Paulus , A. Wokaun , G. G. Scherer , T. J. Schmidt , V. Stamenkovic , N. M. Markovic , P. N. Ross , Electrochem. Acta 2002, 47, 3787.

[3] C. Chen , Y. Kang , Z. Huo , Z. Zhu , W. Huang , H. L. Xin , J. D. Snyder , D. Li , J. A. Herron , M. Mavrikakis , M. Chi , K. L. More , Y. Li , N. M. Markovic , G. A. Somorjai , P. Yang , V. R. Stamenkovic , Science 2014, 343, 1339.

[4] M. Lefèvre , E. Proietti , J.-P. Frédéric Jaouen , Science 2009, 324, 71.

[5] W. Gang , K. L. More , C. M. Johnston , P. Zelenay , Science 2011, 332, 443.

[6] X. Cheng , J. Yang , W. Yan , Y. Han , X. Qu , S. Yin , C. Chen , R. Ji , Y. Li , G. Li , G. Li , Y. Jiang , S.-G. Sun , Energ. Environ. Sci. 2021, 14, 5958.

[7] E. Proietti , F. Jaouen , M. Lefèvre , N. Larouche , J. Tian , J. Herranz , J. Dodelet , Nat. Commun. 2011, 2, 416.

[8] Y. C. Wang , Y. J. Lai , L. Song , Z. Y. Zhou , J. G. Liu , Q. Wang , X. D. Yang , C. Chen , W. Shi , Y. P. Zheng , M. Rauf , S. G. Sun , Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9907.

[9] J. Zou , C. Chen , Y. Chen , Y. Zhu , Q. Cheng , L. Zou , Z. Zou , H. Yang , ACS Catal. 2022, 12, 4517.

[10] X. Xie , L. Shang , X. Xiong , R. Shi , T. Zhang , Adv. Energy Mater. 2021, 12, 2102688.

[11] X. Xie , L. Peng , H. Yang , G. I. N. Waterhouse , L. Shang , T. Zhang , Adv. Mater. 2021, 33, e2101038.

[12] F. Guo , M. Zhang , S. Yi , X. Li , R. Xin , M. Yang , B. Liu , H. Chen , H. Li , Y. Liu , Nano Res. Energy 2022, 1, e9120027.

[13] A. Zitolo , V. Goellner , V. Armel , M.-T. Sougrati , T. Mineva , L. Stievano , E. Fonda , F. Jaouen , Nat. Mater. 2015, 14, 937.

[14] X. Li , Z. Xiang , Nat. Commun. 2022, 13, 57.

[15] X. Wan , X. Liu , Y. Li , R. Yu , L. Zheng , W. Yan , H. Wang , M. Xu , J. Shui , Nat. Catal. 2019, 2, 259.

[16] Y. Chen , S. Ji , Y. Wang , J. Dong , W. Chen , Z. Li , R. Shen , L. Zheng , Z. Zhuang , D. Wang , Y. Li , Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6937.

[17] B. Y. Xia , Y. Yan , N. Li , H. B. Wu , X. W. Lou , X. Wang , Nat. Energy 2016, 1, 15006.

[18] X. Lin , L. Shi , F. Liu , C. Jiang , J. Mao , C. Hu , D. Liu , Nano Res. 2021, 15, 1926.

[19] S. Yin , G. Li , X. Qu , J. Zhang , L. Shen , Y. Li , C. Wang , Z. Yu , B. Lu , B. Xu , Y. Jiang , S. Sun , ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 625.

[20] M.-J. Xu , J. Liu , J.-J. Ge , C.-P. Liu , W. Xing , J. Electrochem. 2020, 26, 464.

[21] J. Li , H. Zhang , W. Samarakoon , W. Shan , D. A. Cullen , S. Karakalos , M. Chen , D. Gu , K. L. More , G. Wang , Z. Feng , Z. Wang , G. Wu , Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 18971.

[22] H. Zhang , S. Hwang , M. Wang , Z. Feng , S. Karakalos , L. Luo , Z. Qiao , X. Xie , C. Wang , D. Su , Y. Shao , G. Wu , J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14143.

[23] S. H. Yin , J. Yang , Y. Han , G. Li , L. Y. Wan , Y. H. Chen , C. Chen , X. M. Qu , Y. X. Jiang , S. G. Sun , Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21976.

[24] H. Lin , Y. Wu , J. Li , Y. Zhou , J. Electrochem. 2021, 27, 366.

[25] Y.-Y. Lou , S.-H. Yin , J. Yang , L.-F. Ji , J.-Y. Fang , S.-Q. Zhang , M.-B. Feng , X. Yu , Y.-X. Jiang , S.-G. Sun , Chem. Eng. J. 2022, 446, 137060.

[26] Q. Liu , X. Liu , L. Zheng , J. Shui , Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1204.

[27] H. Zhang , H. T. Chung , D. A. Cullen , S. Wagner , U. I. Kramm , K. L. More , P. Zelenay , G. Wu , Energ. Environ. Sci. 2019, 12, 2548.

[28] G. Chen , P. Liu , Z. Liao , F. Sun , Y. He , H. Zhong , T. Zhang , E. Zschech , M. Chen , G. Wu , J. Zhang , X. Feng , Adv. Mater. 2020, 32, 1907399.

[29] F. Jaouen , M. Lefevre , J.-P. Dodelet , M. Cai , J. Phys. Chem. B 2006, 110, 5553.

[30] L. Jiao , R. Zhang , G. Wan , W. Yang , X. Wan , H. Zhou , J. Shui , S. Yu , H. Jiang , Nat. Commun. 2020, 11, 2831.

[31] Y. Li , P. Zhang , L. Wan , Y. Zheng , X. Qu , H. Zhang , Y. Wang , K. Zaghib , J. Yuan , S. Sun , Y. Wang , Z. Zhou , S. Sun , Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009645.

[32] L. Wan , W. Chen , H. Xu , Y. Wang , J. Yuan , Z. Zhou , S. Sun , ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 45661.

[33] Y. Zhou , G. Chen , Q. Wang , D. Wang , X. Tao , T. Zhang , X. Feng , K. Müllen , Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102420.

[34] D. Xia , R. Wang , Y. Wei , L. Gan , F. Kang , Mater. Today Energy 2018, 9, 271.

[35] C. Gumeci , N. Leonard , Y. Liu , S. McKinney , B. Halevi , S. C. Barton , J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21494.

[36] W. H. Lee , D. W. Lee , H. Kim , J. Electrochem. Soc. 2015, 162, F744.

[37] D. H. Kim , S. Ringe , H. Kim , S. Kim , B. Kim , G. Bae , H. S. Oh , F. Jaouen , W. Kim , H. Kim , C. H. Choi , Nat. Commun. 1856, 2021, 12.

[38] L. Jiao , J. Li , L. L. Richard , Q. Sun , T. Stracensky , E. Liu , M. T. Sougrati , Z. Zhao , F. Yang , S. Zhong , H. Xu , S. Mukerjee , Y. Huang , D. A. Cullen , J. H. Park , M. Ferrandon , D. J. Myers , F. Jaouen , Q. Jia , Nat. Mater. 2021, 20, 1385.

[39] S.-H. Yin , S.-L. Yang , G. Li , G. Li , B.-W. Zhang , C.-T. Wang , M.-S. Chen , H.-G. Liao , J. Yang , Y.-X. Jiang , S.-G. Sun , Energ. Environ. Sci. 2022, 15, 3033.

[40] X. Cheng , Y. Li , J. Zheng , S. Yin , C. Wang , X. Qu , J. Yang , Y. Jiang , S. Sun , Nano Energy 2022, 100, 107440.

[41] A. Thomas , A. Fischer , F. Goettmann , M. Antonietti , J.-O. Müller , R. Schlögl , J. M. Carlsson , J. Mater. Chem. 2008, 18, 4893.

[42] S. C. Yan , Z. S. Li , Z. G. Zou , Langmuir 2009, 25, 10397.

[43] X. Zhang , X. Han , Z. Jiang , J. Xu , L. Chen , Y. Xue , A. Nie , Z. Xie , Q. Kuang , L. Zheng , Nano Energy 2020, 71, 104547.

[44] C. Shu , Q. Tan , C. Deng , W. Du , Z. Gan , Y. Liu , C. Fan , H. Jin , W. Tang , Y. X. d, X. Yang , Y. Wu , Carbon Energy 2021,

[45] X. Qu , Y. Han , Y. Chen , J. Lin , G. Li , J. Yang , Y. Jiang , S. Sun , Appl. Catal. Environ. 2021, 295, 120311.

[46] D. Guo , R. Shibuya , C. Akiba , S. Saji , T. Kondo , J. Nakamura , Science 2016, 351, 361.

[47] C. Hang , J. Zhang , J. Zhu , W. Li , Z. Kou , Y. Huang , Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703539.

[48] L. Tao , M. Qiao , R. Jin , Y. Li , Z. Xiao , Y. Wang , N. Zhang , C. Xie , Q. He , D. Jiang , G. Yu , Y. Li , S. Wang , Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1019.

[49] D. Xia , X. Tang , S. Dai , R. Ge , A. Rykov , J. Wang , T. H. Huang , K. W. Wang , Y. Wei , K. Zhang , J. Li , L. Gan , F. Kang , Adv. Mater. 2023, 35, 2204474.

[50] Q. Wang , Y. Ji , Y. Lei , Y. Wang , Y. Wang , Y. Li , S. Wang , ACS Energy Lett. 2018, 3, 1183.

[51] Y. Jiang , L. Yang , T. Sun , J. Zhao , Z. Lyu , O. Zhuo , X. Wang , Q. Wu , J. Ma , Z. Hu , ACS Catal. 2015, 5, 6707.

[52] Y. Zhang , Q. Wan , N. Yang , Small 2019, 15, 1903780.

[53] H. Zhang , L. Osmieri , J. H. Park , H. T. Chung , D. A. Cullen , K. C. Neyerlin , D. J. Myers , P. Zelenay , Nat. Catal. 2022, 5, 455.

[54] T. Kitahara , T. Konomi , H. Nakajima , J. Power Sources 2010, 195, 2202.

RIGHTS & PERMISSIONS

2023 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.