An XAS experimental approach to study low Pt content electrocatalysts operating in PEMfuel cells

文献情報

出版日 2009-09-30
DOI 10.1039/B915086B
インパクトファクター 3.676
著者

Emiliano Principi, Agnieszka Witkowska, Sonia Dsoke, Roberto Marassi


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要旨

We present an X-ray absorption spectroscopy (XAS) study of a low Pt content catalyst layer (Pt loading 0.1 mg cm−2) operating at the cathode of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). This catalyst is based on the use of a mesoporous inorganic matrix as a support for the catalystPt nanoparticles. Due to the high Pt dilution, in situ measurements of its structural properties by XAS are challenging and suitable experimental strategies must be devised for this purpose. In particular, we show that accurate XASin situ fluorescence measurements can be obtained using an optimized fuel cell, suitable protocols for alignment of a focused X-ray beam and an appropriate filter for the background signal of the other atomic species contained in the electrodes. Details, advantages and limitations of the XAS technique for in situ measurements are discussed. Analysis of the near-edge XAS and EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) data, corroborated by a HRTEM (high-resolution transmission electron microscopy) study, shows that the Pt particles have a local structure compatible with that of bulk Pt (fcc) and coordination numbers match those expected for particles with typical sizes in the 1.5–2.0 nm range. Substantial changes in the oxidation state and in local atomic arrangement of the Pt particles are found for different applied potentials. The catalyst support, containing W atoms, exhibits a partial reduction upon PEMFC activation, thus mimicking the catalyst behavior. This indicates a possible role of the mesoporous matrix in favouring the oxygen reduction reaction (ORR) and stimulates further research on active catalyst supports.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

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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