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Effect of pH on the Activity of Platinum Group Metal-Free Catalysts in Oxygen Reduction Reaction

催化作用 铂族 化学 铂金 无机化学 金属 氧还原反应 氧气 还原(数学) 氧还原 有机化学 电化学 物理化学 几何学 电极 数学
作者
Santiago Rojas‐Carbonell,Kateryna Artyushkova,Alexey Serov,Carlo Santoro,Ivana Matanović,Plamen B. Atanassov
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (4): 3041-3053 被引量:232
标识
DOI:10.1021/acscatal.7b03991
摘要

The impact of the electrolyte’s pH on the catalytic activity of platinum group metal-free (PGM-free) catalysts toward the oxygen reduction reaction (ORR) was studied. The results indicate that the ORR mechanism is determined by the affinity of protons and hydroxyls toward multiple functional groups present on the surface of the PGM-free catalyst. It was shown that the ORR is limited by the proton-coupled electron transfer at pH values below 10.5. At higher pH values (>10.5), the reaction occurs in the outer Helmholtz plane (OHP), favoring hydrogen peroxide production. Using a novel approach, the changes in the surface chemistry of PGM-free catalyst in a full pH range were studied by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The variations in the surface concentration of nitrogen and carbon species are correlated with the electron transfer process and overall kinetics. This study establishes the critical role of the multitude of surface functional groups, presented as moieties or defects in the carbonaceous “backbone” of the catalyst, in mechanism of oxygen reduction reaction. Understanding the pH-dependent mechanism of ORR provides the basis for rational design of PGM-free catalysts for operation across pH ranges or at a specific pH of interest. This investigation also provides the guidelines for developing and selecting ionomers used as “locally-confined electrolytes”, by taking into account affinities and possible interactions of specific functional groups of the PGM-free catalysts with protons or hydroxyls facilitating the overall ORR kinetics.
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