Unraveling the Surface Chemistry and Structure in Highly Active Sputtered Pt3Y Catalyst Films for the Oxygen Reduction Reaction

氧还原反应 催化作用 材料科学 氧还原 氧气 表面结构 化学工程 还原(数学) 曲面(拓扑) 电催化剂 纳米技术 无机化学 物理化学 结晶学 有机化学 化学 电极 电化学 数学 工程类 几何学
作者
Rosemary Brown,Mykhailo Vorokhta,Ivan Khalakhan,Milan Dopita,Thomas Vonderach,Tomáš Škála,Niklas Lindahl,Iva Matolínová,Henrik J. Grönbeck,Konstantin M. Neyman,Vladimír Matolín,Björn Wickman
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 4454-4462 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acsami.9b17817
摘要

Platinum is the most widely used and best performing sole element for catalyzing the oxygen reduction reaction (ORR) in low-temperature fuel cells. Although recyclable, there is a need to reduce the amount used in current fuel cells for their extensive uptake in society. Alloying platinum with rare-earth elements such as yttrium can provide an increase in activity of more than seven times, reducing the amount of platinum and the total amount of catalyst material required for the ORR. As yttrium is easily oxidized, exposure of the Pt–Y catalyst layer to air causes the formation of an oxide layer that can be removed during acid treatment, leaving behind a highly active pure platinum overlayer. This paper presents an investigation of the overlayer composition and quality of Pt 3 Y films sputtered from an alloy target. The Pt 3 Y catalyst surface is investigated using synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy before and after acid treatment. A new substoichiometric oxide component is identified. The oxide layer extends into the alloy surface, and although it is not completely removed with acid treatment, the catalyst still achieves the expected high ORR activity. Other surface-sensitive techniques show that the sputtered films are smooth and bulk X-ray diffraction reveals many defects and high microstrain. Nevertheless, sputtered Pt 3 Y exhibits a very high activity regardless of the film’s oxide content and imperfections, highlighting Pt 3 Y as a promising catalyst. The obtained results will help to support its integration into fuel cell systems.
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