现场异常小角度X射线散射研究纳米粒子燃料电池电催化剂降解
James A Gilbert1, Nancy N Kariuki, Ram Subbaraman
1Department of Materials Science and Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin 53706, USA. jagilbert@wisc.edu
Journal of the American Chemical Society
|August 4, 2012
概括
在聚合物电解质燃料电池 (PEFCs) 中纳米粒子电催化剂的降解是一个主要的挑战. 这项研究表明,小颗粒的优先溶解和氧化物覆盖驱动纳米颗粒的增长和电化学活性表面积 (ECA) 的损失.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 电化学 电化学 电化学
- 纳米技术 纳米技术
背景情况:
- 聚合物电解质燃料电池 (PEFC) 提供高效率,但受到电催化剂降解的影响,阻碍了广泛采用,特别是在汽车应用中.
- (Pt) 纳米粒子电催化剂中电化学活性表面积 (ECA) 的损失是PEFC性能下降的主要原因.
- 现有的现场研究对在运行条件下控制催化剂降解的现场机制提供了有限的了解.
研究的目的:
- 阐明在潜在循环过程中在水性酸性环境中Pt纳米颗粒降解和粗化机制.
- 研究PEFC电催化剂中氧化物形成,粒子增长和ECA损失之间的关系.
- 建立运行条件,特别是潜在配置文件和催化剂稳定性之间的相关性.
主要方法:
- 现场异常小角度X射线散射 (ASAXS) 用于在潜在循环过程中动态监测Pt纳米粒子大小分布 (PSD).
- 氧化物覆盖面的计算和实验确定都使用了电压计方法.
- 对ASAXS模式的分析提供了关于粒子大小,平均直径和几何表面积变化的实时数据.
主要成果:
- 在前80个潜在循环 (1.0-1.1V) 中,Pt表面积损失的主要机制是较小的Pt纳米粒子的优先溶解.
- 溶解的Pt物种重新沉到现有的颗粒上,有助于颗粒的生长,其程度因潜在形状而异.
- 计算/确定氧化物覆盖率与Pt纳米粒子增长和ECA损失的程度之间观察到强烈的相关性.
结论:
- 氧化物覆盖在Pt纳米颗粒的溶解和随后的颗粒粗化中发挥着关键作用,直接影响ECA.
- 了解氧化物覆盖的影响,可以预测和减轻与PEFC中的各种电压循环协议相关的性能损失.
- 这项研究为催化剂降解提供了关键的见解,为更持久和更具成本效益的PEFC铺平了道路.
