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📄 本實驗室論文

MOF-199-Based Nitrogen-Doped Bimetal Cathode Catalyst for Anion Exchange Membrane Fuel Cells

基於 MOF-199 的氮摻雜雙金屬陰極觸媒用於陰離子交換膜燃料電池

ACS Applied Energy Materials, 7 (2024) 10960–10970 | DOI: 10.1021/acsaem.4c01926
作者:Afandi Yusuf, Yusuf Pradesar, Guan-Cheng Chen, Hsin-Chih Huang, and Chen-Hao Wang*

📄 英文摘要

Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) face significant challenges in developing cost-effective and high-performance cathode catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). This study reports a MOF-199-derived nitrogen-doped bimetal (Cu/Fe) carbon-based catalyst (PSM-199-900-AL) as a promising non-precious metal cathode catalyst for AEMFCs. The optimal thermal treatment at 900 °C yields a catalyst with exceptional ORR activity in alkaline media, achieving an onset potential of 0.99 V, a half-wave potential of 0.846 V, and a near-four-electron transfer pathway (n = 3.997). The Cu2+/Fe0 dual active sites work cooperatively: Fe activates O₂ while Cu facilitates intermediate desorption, synergistically enhancing ORR kinetics. When evaluated in an AEMFC, PSM-199-900-AL delivers a peak power density of 352.2 mW/cm², comparable to commercial Pt/C (381.9 mW/cm²). Moreover, the catalyst demonstrates outstanding durability with only a 30 mV half-wave potential loss after 30,000 cycles. This work highlights the great potential of MOF-derived bimetal catalysts as efficient and stable cathode materials for next-generation AEMFCs.

📄 中文摘要

陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)在開發具成本效益且高效能的氧還原反應(ORR)陰極觸媒方面面臨重大挑戰。本研究報告了一種 MOF-199 衍生的氮摻雜雙金屬(Cu/Fe)碳基觸媒(PSM-199-900-AL),作為 AEMFC 的非貴金屬陰極觸媒。900°C 的最佳熱處理使觸媒在鹼性介質中展現卓越的 ORR 活性,起始電位達 0.99 V,半波電位達 0.846 V,接近四電子轉移途徑(n = 3.997)。Cu²⁺/Fe⁰ 雙活性位點協同工作:Fe 活化 O₂,而 Cu 促進中間產物脫附,協同增強 ORR 動力學。當在 AEMFC 中評估時,PSM-199-900-AL 的峰值功率密度為 352.2 mW/cm²,與商用 Pt/C(381.9 mW/cm²)相當。此外,該觸媒展現出色的耐久性,經過 30,000 次循環後半波電位僅下降 30 mV。本工作強調了 MOF 衍生雙金屬觸媒作為下一代 AEMFC 高效穩定陰極材料的巨大潛力。

🔬 五項核心重要發現

1
接近四電子 ORR 路徑(n = 3.997):PSM-199-900-AL 在 0.1 M KOH 中展現卓越 ORR 活性,起始電位 0.99 V,半波電位 0.846 V,電子轉移數 n ≈ 3.997,接近理想四電子過渡,降低 H₂O₂ 產率至 <1%。
2
Cu²⁺/Fe⁰ 雙活性位點協同機制:Fe 活化 O₂(提供活性位點),Cu 促進中間產物脫附,兩者協同作用增強 ORR 動力學。這是首次揭示 MOF 衍生雙金屬觸媒中 Cu-Fe 協同作用的詳細機制。
3
AEMFC 峰值功率密度達 352.2 mW/cm²:PSM-199-900-AL 與 Nafion211 膜組成的 AEMFC 峰值功率密度達 352.2 mW/cm²,與商用 Pt/C(381.9 mW/cm²)相當,證實其實用潛力。
4
30,000 次循環耐久性測試:PSM-199-900-AL 在 30,000 次加速耐久性測試(ADT)後,半波電位僅下降 30 mV,遠優於 Pt/C 的 68 mV 衰減,展現出色的催化穩定性。
5
900°C 為最佳熱處理溫度:研究比較 700°C、800°C、900°C、1000°C 發現,900°C 熱處理可形成最佳孔徑分布與比表面積平衡,過高溫度(1000°C)導致金屬團簇降低活性。

📊 關鍵圖表

關鍵圖 1:電化學性能分析,圖說已內嵌於圖檔。
關鍵圖 2:材料結構與穩定性分析,圖說已內嵌於圖檔。