Degradation of Platinum-based bimetallic fuel cell catalysts

Abstract

Nákladová efektivita a životnost katodových katalyzátorů zůstávají hlavními překážkami komercializace palivových článků s protonovou výměnnou membránou (PEMFC). Legování Pt přechodnými kovy a kovy vzácných zemin zvyšuje aktivitu reakce redukce kyslíku (ORR) a snižuje množství potřebné Pt, avšak snižuje stabilitu v důsledku preferenčního rozpouštění legujícího prvku. Tato disertační práce systematicky zkoumá degradaci magnetronově naprašovaných modelových katalyzátorů Pt-M (M = Cu, Co, Ni, Y) pomocí zrychleného degradačního testování (ADT) a časově rozlišené hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem s průtokovou celou (SFC-ICP-MS). ADT odhalilo charakteristický dvoustupňový proces - počáteční aktivaci následovanou degradací, přičemž kinetika i závažnost silně závisely na typu slitiny. Časově rozlišená SFC-ICP-MS ukázala, že vývoj katalyzátoru začíná okamžitě po kontaktu s elektrolytem, a odhalila tři na slitině závislé cesty odlegování: Pt₃Y se odlegovávalo převážně při kontaktu s elektrolytem, což vedlo k nejrychlejší aktivaci, ale nejzávažnější degradaci; Pt₃Cu se odlegovávalo především během cyklování potenciálu, s téměř nulovým odlegováním při kontaktu s elektrolytem, což vedlo k nejpomalejší aktivaci a nejmenší degradaci; Pt₃Co a Pt₃Ni vykazovaly přechodné chování z hlediska...

Cost-efficiency and durability of cathode catalysts remain major barriers to proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) commercialisation. Alloying Pt with transition/rare-earth metals enhances oxygen reduction reaction (ORR) activity and reduces Pt loading, but compromises stability through preferential dissolution of the alloying element. This thesis systematically investigates the degradation of magnetron- sputtered Pt-M (M = Cu, Co, Ni, Y) model catalysts using accelerated degradation testing (ADT) and time-resolved scanning flow cell-inductively coupled plasma mass spectrometry (SFC-ICP-MS). ADT revealed a characteristic two-stage process, an initial activation followed by degradation, with kinetics and severity strongly alloy-dependent. Time-resolved SFC- ICP-MS showed that catalyst evolution begins immediately upon electrolyte contact, revealing three alloy-dependent dealloying pathways: Pt3Y dealloyed predominantly on electrolyte contact, giving the fastest activation but most severe degradation; Pt3Cu dealloyed mainly during potential cycling, with almost no dealloying upon electrolyte contact, giving the slowest activation and least degradation; Pt3Co and Pt3Ni showed an intermediate dealloying, activation, and degradation behaviour. Post-mortem analyses confirmed corresponding...