A volcano curve: optimizing methanol electro-oxidation on Pt-decorated Ru nanoparticles

文献情報

出版日 2009-06-26
DOI 10.1039/B816531A
インパクトファクター 3.676
著者

Bingchen Du, Savelas A. Rabb, Christopher Zangmeister, YuYe Tong


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要旨

Controlled Pt adlayers were deposited on commercial Ru nanoparticles (NPs) using an industrially scalable one-pot ethylene glycol (EG) reduction based method and were characterized by X-ray diffraction (XRD), electrochemical (EC) CO stripping voltammetry, inductively-coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), X-ray photoemission spectroscopy (XPS), and transmission electron microscopy (TEM). Compared with the previously used “spontaneous deposition”, the wet chemistry-based EG method is less technically demanding, i.e. no need to handle high-temperature hydrogen reduction, offers a better control of the Pt packing density (PD), enables the formation of stable, segregated Pt surface adlayers for optimal tuning and use of Pt, and effectively prevents NPs sintering. Two batches of a total of 11 (8 vs. 3) samples with different values of Pt PD ranging from 0.05 to 0.93 were prepared, with a time interval of more than 18 months between the sytheses of the two batches of samples, and an excellent reproducibility of results was observed. All samples were investigated in terms of methanol (MeOH) electro-oxidation (EO) by cyclic voltammetry (CV) and chronoamperometry (CA). Although the peak current of CV increased as the Pt content increased, the long-term steady-state MeOH electro-oxidation current density of the Pt-decorated Ru NPs measured by CA showed a volcano curve as a function of the Pt PD, with the maximum appearing at the PD of 0.31. The optimal peak activity was ∼150% higher than that of the industrial benchmark PtRu (1 : 1) alloy NPs and could deliver the same performance at half the electrode material cost. Fundamentally, such a volcano curve in the reaction current is the result of two competing processes of the EO of MeOH: the triple dehydrogenation of MeOH that prefers more Pt ensemble sites, and the elimination of poisonous CO that is enhanced by more adjacent Ru/Pt sites via the so-called bifunctional mechanism and also by possible electronic effects at low Pt coverages.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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