Anion-Exchange Membrane Fuel Cells: Dual-Site Mechanism of Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media on Cobalt−Polypyrrole Electrocatalysts

Abstract

The oxygen reduction reaction (ORR) processes in alkaline media that occur on a family of electrocatalyst materials derived from a Co containing precursor and a polypyrrole/C composite material (PPy/C) are investigated here. The effects of Co loading and heat treatment temperature on the CoPPy/C materials are revealed through structural evaluations and electrochemical studies. Principle component analysis (PCA), a mutivariant analysis (MVA) technique, is used to establish structure-to-property correlations for the CoPPy/C materials. In all cases, pyrolysis leads to formation of a composite catalyst material, featuring Co nanoparticles coated with Co oxides and Co2+ species associated with N−C moieties that originate from the polypyrrole structures. Based on these correlations, we are able to propose an ORR mechanism that occurs on this class of non-platinum based fuel cell cathode catalysts. The correlations suggest the presence of a dual site functionality where O2 is initially reduced at a Co2+ containing N−C type site in a 2 e− process to form HO2 −, an intermediate reaction product. Intermediate species (HO2 −) can react further in the series type ORR mechanism at the decorating Co x O y /Co surface nanoparticle phase. The HO2 − species can undergo either further electrochemical reduction to form OH− species or chemical disprotonation to form OH− species and molecular O2.

Photoelektronenspektroskopie an der Graphen‐Flüssigelektrolyt‐Grenzfläche zur Bestimmung der elektronischen Struktur eines elektrochemisch abgeschiedenen Cobalt/Graphen‐Elektrokatalysators

“…[26] Die enge Wechselwirkung von Cm it Co kann mit einer früheren XPS-Studie von unbehandelten und abgeschiedenen Cobaltocenschichten verglichen werden. [27] In dieser Untersuchung zeigte die reine [29] Darüber hinaus hängen die Maxima bei 783.2 eV (A) und 785.6 eV (B) mit der Bildung von Co gebunden an Sauerstoff in der Form von Carbonyl-ähnlichen Spezies wie Co-(CO) x [24,30] zusammen, wie der Vergleich mit pyrolisierten und Porphyrin-Co-Proben zeigt. Im Bereich hçherer Bindungsenergien überlappen sie mit den Shake-up-Satelliten S A und S B , [26,31] …”

Die Elektrochemie des Sauerstoffs als Meilenstein für eine nachhaltige Energieumwandlung

“…[198][199][200][201][202][203][204][205][206][207] Darüber hinaus wurden Arbeiten durchgeführt, um den Mechanismus der ORR auf unedlen Metallkatalysatoren sowie die Natur der aktiven Zentren aufzuklären. [197,[208][209][210][211][212] Diese Arbeiten führ-ten zu signifikanten Verbesserungen und Durchbrüchen bei der Aktivität von unedlen Katalysatoren der ORR, die fast annähernd die Aktivitäten auf Platin erreichen; [200,201] exzellente Zusammenfassungen sind hierzu kürzlich erschienen. [213,214] In einem der prominentesten Beispiele wurden bemerkenswert hohe Aktivitäten durch die Synthese von Katalysatoren mit Stickstoff-koordiniertem Eisen in einem mikroporçsen Kohlenstoffsubstrat erhalten (Abbildung 6).…”

Development of alkaline fuel cells.

“…The mechanism of ORR on Non-PGM catalyst of this class of electrocatalysts follows a 2+2 electron mechanism, which is characterized by hydrogen peroxide generation as intermediate and involves two distinct sites (bifunctional mechanism). [39]. Such a mechanism places an additional requirement on the ionomer stability as the presence of hydrogen peroxide evolved in the cathodic reaction may play a destructive role.…”