Research and development of platinum-based cathode catalysts for proton exchange membrane fuel cells

Abstract

Widespread adoption of advanced energy technologies, such as proton- exchange membrane fuel cells (PEMFCs), relies on the development of efficient and durable catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). Given its unique properties, platinum has been the primary choice for meeting activity demands, either in its pure form or as various Pt-based alloys. The challenge yet persists with catalyst degradation in the hostile environment of the PEMFC cathode. The thesis aims to explore efficient and durable Pt-based ORR catalysts prepared by the magnetron sputtering technique. In the first chapter, Pt-Au alloys with various compositions (5, 10, 20 at.% of Au) were systematically studied to understand their composition-activity-stability relationship. It was found that Pt90Au10 exhibits the most optimal alloying, retaining the activity of Pt while effectively suppressing Pt dissolution. The stability of Pt-Au alloys was further evaluated under different simulated PEMFC operating conditions, demonstrating their higher stability compared to monometallic Pt catalyst. In the second chapter, the composition-activity-stability relationship of ternary PtNi-Au alloys with various compositions (3, 7, 15 at.% of Au, Pt:Ni = 50:50) was investigated. It was revealed that while Au incorporation negatively impacts activity, it...

Rozšířené přijetí pokročilých energetických technologií, jako jsou palivové články s protonově vodivou membránou (PEMFC), závisí na vývoji účinných a odolných katalyzátorů pro reakci redukce kyslíku (ORR). Platina je první volbou, pro její jedinečné vlastnosti splňující požadavky na aktivitu. Využívá se buď ve své čisté formě nebo jako slitina na bázi Pt. Výzva však stále přetrvává kvůli degradaci katalyzátoru v nepříznivém prostředí katody PEMFC. Tato práce si klade za cíl zkoumat účinné a odolné katalyzátory pro ORR na bázi Pt připravené technikou magnetronového naprašování. V první kapitole byly systematicky studovány slitiny Pt-Au s různými složeními (5, 10, 20 at. % Au) s cílem porozumět souvislostem mezi složením, aktivitou a stabilitou. Bylo zjištěno, že slitina Pt90Au10 projevuje nejoptimálnější vlastnosti, zachovávající aktivitu Pt a efektivně potlačující rozpouštění Pt. Stabilita slitin Pt-Au byla dále zkoumána za různých simulovaných pracovních podmínek PEMFC, což prokázalo jejich vyšší stabilitu ve srovnání s monometalickým katalyzátorem Pt. Ve druhé kapitole byl zkoumán vztah mezi složením, aktivitou, a stabilitou terciárních slitin PtNi-Au s různými složeními (3, 7, 15 at.% Au, Pt:Ni = 50:50). Bylo zjištěno, že začlenění Au negativně ovlivňuje aktivitu, ale zlepšuje stabilitu. Mezi testovanými...