Optimizando el Transporte de Masa y la Actividad Intrínseca del Hierro Atómico para Lograr Celdas de Combustible de Alto Rendimiento

Debido a las interfaces de tres fases insuficientes y la alta resistencia al transporte de oxígeno, la alta actividad intrínseca no puede ser suficientemente utilizada en celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFCs) prácticas. El transporte eficiente de protones y reactivos dentro de las capas catalizadoras (CL) está en gran medida influenciado por la estructura porosa del soporte de carbono, que alberga tanto sitios metálicos como ionómeros. Aquí, construimos un catalizador poroso de nanosheet sin Pt (FeAC-N-SC) seleccionando un MOF GT-18 altamente rico en nitrógeno a través de un molde de sal para lograr la mejora del rendimiento de PEMFC. Los resultados de simulación y experimentales ilustran que la microestructura puede beneficiar la dispersión homogénea de ionómeros y facilitar el transporte de masa de oxígeno en la CL catódica, logrando en última instancia una utilización eficiente de las actividades catalíticas. La PEMFC ensamblada a partir del catalizador FeAC-N-SC presentó una densidad de potencia máxima sobresaliente de 1.1 W cm-2 y durabilidad (retención del 61% de densidad de potencia después de 30k ciclos de AST y retención del 92% de voltaje después de 100 h de prueba OCV). Los resultados de DFT demostraron que la introducción de clústeres atómicos de Fe puede aumentar la actividad intrínseca de la ORR al regular la distribución de electrones de los sitios de Fe-N4 de un solo átomo. Este estudio revela la relación entre el diseño de CL, el transporte de masa y la microestructura del electrodo, que explota exitosamente la actividad intrínseca de los catalizadores catódicos y mejora la capacidad de generación de energía.