Oxygen Electroreduction on Core-Shell Nanoparticle Catalysts Prepared by Selective Electrochemical Metal Dissolution of Pt-Cu and Pt-Co Alloys

Für einen technologischen Durchbruch der Polymer Elektrolyte Membran Brennstoffzelle (PEMFC) ist die Entwicklung von neuen effizienteren Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) erforderlich. Erst durch ein besseres Verständnis der atomaren Vorgänge an der katalytischen aktiven metallischen Oberfläche und der daraus resultierenden Struktur – Reaktivität Beziehung wird das rationale Designen von hoch aktiven Katalysatoren ermöglicht. Pt Legierungskatalysatoren zeigen im Vergleich zu reinen Platin Katalysatoren deutlich verbesserte Aktivitäten. Besonders zu nennen, sind hier die entlegierten Pt bimetallische Kern-Schale Nanokatalysatoren, die durch das elektrochemische Auflösen von dem weniger edleren Metall aus der Oberfläche von Legierungspartikeln in-situ erzeugt werden. Ziel dieser Arbeit ist das Kern-Schale Katalysatorkonzept für neue Pt-Cu und Pt-Co Legierungsnanosysteme anzuwenden sowie die kritischen experimentellen Parameter für eine verbesserte Aktivität des Katalysators herauszuarbeiten. Dazu ist es notwendig mehr Erkenntnisse über die Dynamik der Bildung und des Partikel-Wachstums von Legierung-Precursor-Nanokatalysatoren mittels der in-situ Hochtemperatur XRD zu gewinnen. Anschließend wurde das elektrochemische Verhalten der Pt-Cu und Pt-Co Nanopartikel in sauren und alkalischen Elektrolyten untersucht, um später eine Korrelation über die Struktur – Komposition – ORR Aktivität zu entwickeln. Nur die elektrochemische Behandlung im Sauren generierte die Kern-Schale Nanopartikel, die dann eine deutlich erhöhte Aktivität für die Reduktion von Sauerstoff im sauren und alkalischen Medium verglichen mit kommerziellen Pt Standardkatalysatoren aufwiesen. Der hoch aktive entlegierte Pt-Cu und Pt-Co Katalysatoren wurden mikroskopisch und spektroskopisch untersucht, um die Struktur der aktiven Spezies zu klären. Daraus liess sich ein Größen-Effekt der Pt Legierungsprecursorkatalysatoren auf die Struktur und Komposition ermitteln. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit sind von wichtiger Bedeutung für die Herstellung und Entwicklung von neuen verbesserten Katalysatoren für die saure und alkalische PEMFCs.