The Key to High Performance Low Pt Loaded Electrodes

Abstract

The effect of ionomer distribution on the oxygen mass transport resistance, the proton resistivity of the cathode catalyst layer, and the H 2 /air fuel cell performance was investigated for catalysts with surface modified carbon supports. By introducing nitrogen containing surface groups, it was shown that the ionomer distribution in the cathodic electrode can be optimized to decrease mass transport related voltage losses at high current density. The in house prepared catalysts were fully characterized by TEM, TGA, elemental analysis, and XPS. Thin-film rotating disk electrode measurements showed that the carbon support modification did not affect the oxygen reduction activity of the catalysts, but exclusively affects the ionomer distribution in the electrode during electrode preparation. Limiting current measurements were used to determine the pressure independent oxygen transport resistance -primarily attributed to oxygen transport in the ionomer film -which decreases for catalysts with surface modified carbon support. Systematically lowering the ionomer to carbon ratio (I/C) from 0.65 to 0.25 revealed a maximum performance at I/C = 0.4, where an optimum between ionomer thickness and proton conductivity within the catalyst layer is obtained. From this work, it can be concluded that not only ionomer film thickness, but more importantly ionomer distribution is the key to high performance low Pt loaded electrodes.

Optimizing the Size of Platinum Nanoparticles for Enhanced Mass Activity in the Electrochemical Oxygen Reduction Reaction

“…Therefore,c arefully controlling the number of active sites with optimal GCN values per mass is away to tailor the mass activity of nanoscale Pt catalysts for the ORR. [22] To identify the highest mass activities of nanoparticles with diameters around 1-3 nm, we employ our recently developed computational model. [16][17][18][19] Even after successful synthesis,s mall nanoparticles exhibit high surface energies that render them prone to agglomeration.…”

“…Them easured mass activity of 0.87 AE 0.14 Amg Pt À1 coincides with the computational prediction (0.99 Amg Pt À1 )w ith respect to the error interval and it exceeds the mass activity of the commercial Pt/C catalyst [22] (0.42 Amg Pt À1 )byafactor of 2. The error bars are from the results of five different measurements.…”

Optimierung der Größe von Platin‐Nanopartikeln für eine erhöhte Massenaktivität der elektrochemischen Sauerstoffreduktion

“…Die gemessene Massenaktivitätv on 0.87 AE 0.14 Amg Pt À1 stimmt mit der rechnerischen Vorhersage (0.99 Amg Pt À1 )u nter Berücksichtigung des Fehlerbalkens überein und übersteigt die Massenaktivitätd es handelsüblichen Pt/C-Katalysators [22] (0.42 Amg Pt À1 )u md as Doppelte. 1.1 nm herstellen, die in unserem computergestützten Screening als eine der optimalen Grçßen fürd ie ORR vorhergesagt wurde.D ie Pt-Nanopartikel zeigen eine spezifische Aktivitätv on 1.49 mA cm À2 ,d ie etwa 2.5-mal hçher ist als die des kommerziellen Pt/C-Katalysators (0.61 mA cm À2 ).…”

“…Eine Strategie zur Synthese und Stabilisierung von Metallnanopartikeln im Grçßenbereich nahe 1nmb eruht auf ihrer Einbettung in Metall-organische Ge-rüste (metal-organic frameworks,M OFs) unter Nutzung der Grçßenbeschränkung ihrer Poren. [22] Um die hçchsten Massenaktivitäten von Nanopartikeln mit Durchmessern von 1-3 nm zu ermitteln, setzten wir unser kürzlich entwickeltes Computermodell ein, [15] Bereits kleine Grçßenänderungen kçnnen die Oberflächen der Nanopartikel erheblich beeinflussen, wie in Abbildung 1B dargestellt. Diese eignen sich erwiesenermaßen als Wirtmatrix zur Aufnahme und Stabilisierung einer großen Vielfalt von Metallnanopartikeln.…”

“…Dieser Wert wurde mit der hçchsten vermeldeten Aktivitätd er kommerziellen Tanaka-Pt/C-Katalysatoren verglichen (0.42 Amg Pt À1 ). [22] Um die hçchsten Massenaktivitäten von Nanopartikeln mit Durchmessern von 1-3 nm zu ermitteln, setzten wir unser kürzlich entwickeltes Computermodell ein, [15] Bereits kleine Grçßenänderungen kçnnen die Oberflächen der Nanopartikel erheblich beeinflussen, wie in Abbildung 1B dargestellt. Aufd em optimalen 2.87 nm großen Nanopartikel bilden sich aktive Zentren an den Stufen neben kleinen (111)-Facetten, die auf die darunter liegenden (111)-Flächen gestapelt sind.…”