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Dictating Pt-Based Electrocatalyst Performance in Polymer Electrolyte Fuel Cells, from Formulation to Application

离聚物 材料科学 电解质 化学工程 电化学 吸附 铂金 Nafion公司 催化作用 聚合物 玻璃碳 电极 复合材料 化学 有机化学 共聚物 循环伏安法 物理化学 工程类
作者
Tim Van Cleve,Sunilkumar Khandavalli,Anamika Chowdhury,Samantha Medina,Svitlana Pylypenko,Min Wang,Karren L. More,Nancy N. Kariuki,Deborah J. Myers,Adam Z. Weber,Scott A Mauger,Michael Ulsh,K.C. Neyerlin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (50): 46953-46964 被引量:125
标识
DOI:10.1021/acsami.9b17614
摘要

In situ electrochemical diagnostics designed to probe ionomer interactions with platinum and carbon were applied to relate ionomer coverage and conformation, gleaned from anion adsorption data, with O2 transport resistance for low-loaded (0.05 mgPt cm-2) platinum-supported Vulcan carbon (Pt/Vu)-based electrodes in a polymer electrolyte fuel cell. Coupling the in situ diagnostic data with ex situ characterization of catalyst inks and electrode structures, the effect of ink composition is explained by both ink-level interactions that dictate the electrode microstructure during fabrication and the resulting local ionomer distribution near catalyst sites. Electrochemical techniques (CO displacement and ac impedance) show that catalyst inks with higher water content increase ionomer (sulfonate) interactions with Pt sites without significantly affecting ionomer coverage on the carbon support. Surprisingly, the higher anion adsorption is shown to have a minor impact on specific activity, while exhibiting a complex relationship with oxygen transport. Ex situ characterization of ionomer suspensions and catalyst/ionomer inks indicates that the lower ionomer coverage can be correlated with the formation of large ionomer aggregates and weaker ionomer/catalyst interactions in low-water content inks. These larger ionomer aggregates resulted in increased local oxygen transport resistance, namely, through the ionomer film, and reduced performance at high current density. In the water-rich inks, the ionomer aggregate size decreases, while stronger ionomer/Pt interactions are observed. The reduced ionomer aggregation improves transport resistance through the ionomer film, while the increased adsorption leads to the emergence of resistance at the ionomer/Pt interface. Overall, the high current density performance is shown to be a nonmonotonic function of ink water content, scaling with the local gas (H2, O2) transport resistance resulting from pore, thin film, and interfacial phenomena.
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