Eliminating dissolution of platinum-based electrocatalysts at the atomic scale

溶解 铂金 原子单位 材料科学 比例(比率) 纳米技术 化学工程 化学 催化作用 物理化学 物理 有机化学 量子力学 工程类
作者
Pietro P. Lopes,Dongguo Li,Haifeng Lv,Chao Wang,Dusan Tripkovic,Yisi Zhu,Roberto Schimmenti,Hideo Daimon,Yijin Kang,Joshua Snyder,Nigel Becknell,Karren L. More,Dusan Strmcnik,Nenad M. Markovic,Manos Mavrikakis,Vojislav R. Stamenkovic
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:19 (11): 1207-1214 被引量:91
标识
DOI:10.1038/s41563-020-0735-3
摘要

A remaining challenge for the deployment of proton-exchange membrane fuel cells is the limited durability of platinum (Pt) nanoscale materials that operate at high voltages during the cathodic oxygen reduction reaction. In this work, atomic-scale insight into well-defined single-crystalline, thin-film and nanoscale surfaces exposed Pt dissolution trends that governed the design and synthesis of durable materials. A newly defined metric, intrinsic dissolution, is essential to understanding the correlation between the measured Pt loss, surface structure, size and ratio of Pt nanoparticles in a carbon (C) support. It was found that the utilization of a gold (Au) underlayer promotes ordering of Pt surface atoms towards a (111) structure, whereas Au on the surface selectively protects low-coordinated Pt sites. This mitigation strategy was applied towards 3 nm Pt3Au/C nanoparticles and resulted in the elimination of Pt dissolution in the liquid electrolyte, which included a 30-fold durability improvement versus 3 nm Pt/C over an extended potential range up to 1.2 V. Deployment of proton-exchange membrane fuel cells is limited by the durability of Pt-nanoscale catalysts during cathodic oxygen reduction reactions. Dissolution processes on single crystalline and thin film surfaces are now correlated leading to the design of PtAu catalysts with suppressed dissolution.
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