Hydrogenated Boride-Assisted Gram-Scale Production of Platinum–Palladium Alloy Nanoparticles on Carbon Black for PEMFC Cathodes: A Study from a Practical Standpoint

材料科学 质子交换膜燃料电池 催化作用 铂金 炭黑 钯 吸附 化学工程 合金 纳米颗粒 纳米技术 冶金 复合材料 物理化学 有机化学 化学 天然橡胶 工程类
作者
Saisai Gao,Haidong Zhao,Pengfei Gao,Jinglei Bi,Dan Liu,Daolong Zhu,Bin Wang,Shengchun Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (30): 34750-34760 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acsami.2c08510
摘要

Platinum–palladium (PtPd) alloy catalysts with high durability are viable substituents to commercial Pt/C for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Herein, a facile approach for gram-scale preparation of Pt x Pd 100– x alloy nanoparticles on carbon black is developed. The optimized Pt 54 Pd 46 /B–C catalyst shows a mass activity (MA) of 0.549 A mg Pt –1 and a specific activity (SA) of 0.463 mA cm –2 at the rotating disk electrode (RDE) level, which are 3.4 and 1.9 times those of commercial Pt/C, respectively. In H 2 /O 2 and H 2 /air PEMFCs, the membrane electrode assembly (MEA) with Pt 54 Pd 46 /B–C achieves peak power densities of 2.33 and 1.04 W cm –2, respectively, and shows negligible performance degradation after 100 h of running in H 2 /O 2 conditions. Moreover, the MA of MEA with Pt 54 Pd 46 /B–C in H 2 /O 2 PEMFC reaches 0.978 A mg Pt+Pd –1 beyond the 2020 target of the Department of Energy (DOE) of 0.44 A mg Pt –1 . After 30k cyclic voltammetry cycles in PEMFC, the MA loss and cell voltage loss of MEA with Pt 54 Pd 46 /B–C are well within the DOE 2020 target. Density functional theory calculations reveal that the PtPd(111) surface can weaken the adsorption of *OOH and *OH compared to the Pt(111) surface, indicating that Pt 54 Pd 46 /B–C is more energetically favorable for the oxygen reduction reaction (ORR) than commercial Pt/C. This study offers a new approach for batch preparation of PtPd alloy-based catalysts for PEMFCs.

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