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Designing Co–N/C Cathode Catalysts with Dense Atomic Cobalt Sites for Enhanced PEMFC Performance

  • Metal-nitrogen/carbon (M-N/C) catalysts, particularly those incorporating Fe,Co, or Mn, are among the most promising non-platinum group catalysts forthe acidic oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. This study reports aCo-N/C catalyst featuring high (3 wt%) cobalt content exclusively present asatomic sites. Extended X-ray absorption fine structure analysis confirms atetrapyridinic Co-N4 coordination environment in the optimized (3.0)Co-N/C𝚫catalyst. The high cobalt loading leads to a significant density ofelectrochemically accessible active sites, 3.58 × 10 19 sites g−1 , quantified viathe nitrite stripping method. The catalyst demonstrates excellent ORR activityin a rotating ring-disk electrode setup, achieving a half-wave potential (E 1/2 ) of0.76 V at a low loading of 0.2 mg cm−2 and a mass activity of 3.5 A g−1 at 0.80VRHE . Single-cell hydrogen-oxygen PEMFC tests achieve a peak power densityexceeding 1.3 W cm−2 (iR-corrected). Under hydrogen-air condition, thecatalyst deliversMetal-nitrogen/carbon (M-N/C) catalysts, particularly those incorporating Fe,Co, or Mn, are among the most promising non-platinum group catalysts forthe acidic oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. This study reports aCo-N/C catalyst featuring high (3 wt%) cobalt content exclusively present asatomic sites. Extended X-ray absorption fine structure analysis confirms atetrapyridinic Co-N4 coordination environment in the optimized (3.0)Co-N/C𝚫catalyst. The high cobalt loading leads to a significant density ofelectrochemically accessible active sites, 3.58 × 10 19 sites g−1 , quantified viathe nitrite stripping method. The catalyst demonstrates excellent ORR activityin a rotating ring-disk electrode setup, achieving a half-wave potential (E 1/2 ) of0.76 V at a low loading of 0.2 mg cm−2 and a mass activity of 3.5 A g−1 at 0.80VRHE . Single-cell hydrogen-oxygen PEMFC tests achieve a peak power densityexceeding 1.3 W cm−2 (iR-corrected). Under hydrogen-air condition, thecatalyst delivers 0.54 A cm−2 at 0.60 V (0.39 W cm−2 ). Despite the intrinsicallyhigher turnover frequency of Fe-based sites, the optimized(3.0)Co-N/C𝚫 catalyst achieves similar fuel cell performance to that of Fe-N/C,highlighting the critical role of site density in overall activity.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Mengjun Gong, Asad MehmoodORCiD, Ana de Oliveira Guilherme BuzanichORCiD, Tim-Patrick FellingerORCiD, Colleen Jackson, Junyi Cui, Goran Drazic, Anthony Kucernak
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Advanced Science
Jahr der Erstveröffentlichung:2025
Organisationseinheit der BAM:3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher
3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher / 3.6 Elektrochemische Energiematerialien
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Wiley VHC-Verlag
Aufsatznummer:e16060
Erste Seite:1
Letzte Seite:11
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Fuel cells; Non-precious catalysts; Oxygen reduction reaction; Single atom catalysts
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Energie / Elektrische Energiespeicher und -umwandlung
DOI:10.1002/advs.202516060
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-644276
ISSN:2198-3844
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:22.10.2025
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:27.10.2025
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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