Synthèse assistée par micro-ondes d'un électrocatalyseur Fe–N–C haute performance pour les piles à hydrogène à membrane échangeuse de protons

Les matériaux en carbone codopés en fer et en azote pyrolysés (Fe–N–C) avec des sites Fe-Nx dispersés à l'échelle atomique ont reçu une attention considérable en tant qu'alternative très prometteuse au Pt pour la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), mais il subsiste un écart de performance considérable entre eux. Pour améliorer davantage la performance catalytique des catalyseurs Fe–N–C, nous avons développé une méthode assistée par micro-ondes pour améliorer à la fois la densité de sites actifs (SD) et l'activité intrinsèque, atteignant ainsi une activité ORR exceptionnelle. La précipitation de Fe générée in situ est bénéfique pour améliorer l'efficacité de dopage du Fe et la formation subséquente de sites actifs synergiques, conduisant à une augmentation de SD. La spectroscopie d'absorption des rayons X et le Raman operando ont confirmé la coprésence de moitiés atomiques de Fe et de nanoclusters, dans lesquels les nanoclusters promeuvent de manière synergique l'activité des sites atomiques uniques. Les sites actifs synergiques enrichis confèrent au catalyseur préparé exceptionnellement une excellente performance en montrant une densité de courant de 42 mA cm–2 à 0,9 V dans une pile à hydrogène à membrane échangeuse de protons, approchant l'objectif DOE 2025. Ce travail offre non seulement un catalyseur ORR hautement actif mais fournit également une approche simple et potentiellement évolutive pour les catalyseurs Fe–N–C.