Nitrogen-doped carbon black supported Pd nanoparticles as an effective catalyst for formic acid electro-oxidation reaction

Abstract

Pd nanoparticles supported on nitrogen doped carbon black (Vulcan XC-72R) with two different levels of doping were prepared by the microwave-assisted ethylene glycol reduction process and used as catalyst for the formic acid electro-oxidation (FAEO). The results indicate that the different nitrogen doping contents in Pd/N-C catalysts have a significant effect on the performance of FAEO. A higher N content facilitates the uniform dispersion of Pd nanoparticles on carbon black with narrow particle size distribution. Furthermore, the electrochemical results show that the catalyst with a higher N-doping content possesses a higher catalytic activity and a long-term stability for FAEO. The peak current density of the Pd/N-C (high) catalyst is 1.27 and 2.31 times that of the Pd/N-C (low) and homemade Pd/C-H catalyst. The present paper may provide a simple method for preparation of high-performance anode catalyst for direct formic acid fuel cells (DFAFCs).

Keywords

formic acid electro-oxidation / nitrogen doped / oxidized carbon / nitrogen content

References

[1] Rice C, Haa  S, Masela R I ,  Wieckowski A . Catalysts for direct formic acid fuel cells. Journal of Power Sources, 2003, 115(2): 229–235 

[2] Wang J, Liu  Y, Okada T . Novel platinum-macrocycle composite catalysts for direct formic acid fuel cells. Journal of Applied Electrochemistry, 2016, 46(8): 901–905 

[3] Yu X, Pickup  P G. Recent advances in direct formic acid fuel cells (DFAFC). Journal of Power Sources, 2008, 182(1): 124–132 

[4] Antolini E. Palladium in fuel cell catalysis. Energy & Environmental Science, 2009, 2(9): 915–931 

[5] El-Nagar G A, Darweesh  A F, Sadiek  I. A novel nano-palladium complex anode for formic acid electro-oxidation. Electrochimica Acta, 2016, 215: 334–338 

[6] Feng L, Yao  S, Zhao X ,  Yan L, Liu  C, Xing W . Electrocatalytic properties of Pd/C catalyst for formic acid electrooxidation promoted by europium oxide. Journal of Power Sources, 2012, 197: 38–43 

[7] Xiong B, Zhou  Y, Zhao Y ,  Wang J, Chen  X, O’Hayre R ,  Shao Z. The use of nitrogen-doped graphene supporting Pt nanoparticles as a catalyst for methanol electrocatalytic oxidation. Carbon, 2013, 52: 181–192 

[8] Liang J, Hassan  M, Zhu D ,  Guo L, Bo  X. Cobalt nanoparticles/nitrogen-doped graphene with high nitrogen doping efficiency as noble metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Journal of Colloid and Interface Science, 2017, 490: 576–586 

[9] Liu D, Li  L, You T . Superior catalytic performances of platinum nanoparticles loaded nitrogen-doped graphene toward methanol oxidation and hydrogen evolution reaction. Journal of Colloid and Interface Science, 2017, 487: 330–335 

[10] Ramakrishna S U B ,  Srinivasulu Reddy D ,  Shiva Kumar S ,  Himabindu V . Nitrogen doped CNTs supported Palladium electrocatalyst for hydrogen evolution reaction in PEM water electrolyser. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(45): 20447–20454 

[11] Xiong Q, Chi  H, Zhang J ,  Tu J. Nitrogen-doped carbon shell on metal oxides core arrays as enhanced anode for lithium ion batteries. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 688, Part B: 729–735

[12] Xu G, Dou  H, Geng X ,  Han J, Chen  L, Zhu H . Free standing three-dimensional nitrogen-doped carbon nanowire array for high-performance supercapacitors. Chemical Engineering Journal, 2017, 308: 222–228 

[13] Xu J, Ju  Z, Cao J ,  Wang W, Wang  C, Chen Z . Microwave synthesis of nitrogen-doped mesoporous carbon/nickel-cobalt hydroxide microspheres for high-performance supercapacitors. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 689: 489–499 

[14] Zhang Y, Chen  L, Meng Y ,  Xie J, Guo  Y, Xiao D . Lithium and sodium storage in highly ordered mesoporous nitrogen-doped carbons derived from honey. Journal of Power Sources, 2016, 335: 20–30 

[15] Wu G, Zelenay  P. Nanostructured nonprecious metal catalysts for oxygen reduction reaction. Accounts of Chemical Research, 2013, 46(8): 1878–1889 

[16] Matter P H, Zhang  L, Ozkan U S . The role of nanostructure in nitrogen-containing carbon catalysts for the oxygen reduction reaction. Journal of Catalysis, 2006, 239(1): 83–96 

[17] Bae G, Youn  D H, Han  S, Lee J S . The role of nitrogen in a carbon support on the increased activity and stability of a Pt catalyst in electrochemical hydrogen oxidation. Carbon, 2013, 51: 274–281 

[18] Chang J, Sun  X, Feng L ,  Xing W, Qin  X, Shao G . Effect of nitrogen-doped acetylene carbon black supported Pd nanocatalyst on formic acid electrooxidation. Journal of Power Sources, 2013, 239: 94–102 

[19] Xiao M, Zhu  J, Ge J ,  Liu C, Xing  W. The enhanced electrocatalytic activity and stability of supported Pt nanopartciles for methanol electro-oxidation through the optimized oxidation degree of carbon nanotubes. Journal of Power Sources, 2015, 281: 34–43 

[20] Ham D J, Pak  C, Bae G H ,  Han S, Kwon  K, Jin S A ,  Chang H ,  Choi S H ,  Lee J S . Palladium-nickel alloys loaded on tungsten carbide as platinum-free anode electrocatalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells. Chemical Communications, 2011, 47(20): 5792–5794 

[21] Kawaguchi T, Sugimoto  W, Murakami Y ,  Takasu Y . Temperature dependence of the oxidation of carbon monoxide on carbon supported Pt, Ru, and PtRu. Electrochemistry Communications, 2004, 6(5): 480–483 

[22] Zhang J F, Xu  Y, Zhang B . Facile synthesis of 3D Pd-P nanoparticle networks with enhanced electrocatalytic performance towards formic acid electrooxidation. Chemical Communications, 2014, 50(88): 13451–13453 

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg