A facile synthesis of high activity cube-like Pt/carbon composites for fuel cell application

Abstract

High activity catalyst with simple low-cost synthesis is essential for fuel cell commercialization. In this study, a facile procedure for the synthesis of cube-like Pt nanoparticle (Pt_Cube) composites with high surface area carbon supports is developed by mixing precursor of Pt with carbon supports in organic batches, hence, one pot synthesis. The Pt_Cube grow with Vulcan XC-72 or Ketjen black, respectively, and then treated for 5.5 h at 185ºC (i.e., Pt_Cube5.5/V and Pt_Cube5.5/K). The resulting particle sizes and shapes are similar; however, Pt_Cube5.5/K has a larger electrochemical active surface area (EASA) and a remarkably better formic acid (FA) oxidation performance. Optimization of the Pt_Cube/K composites leads to Pt_Cube10/K that has been treated for 10 h at 185ºC. With a larger EASA, Pt_Cube10/K is also more active in FA oxidation than the other Pt_Cube/K composites. Impedance spectroscopy analysis of the temperature treated and as-prepared (i.e., untreated) Pt_Cube/K composites indicates that Pt_Cube10/K is less resistive, and has the highest limiting capacitance among the Pt_Cube/K electrodes. Consistently, the voltammetric EASA is the largest for Pt_Cube10/K. Furthermore, Pt_Cube10/K is compared with two commercial Pt/C catalysts, Tanaka Kikinzoku Kogyo (TKK), and Johnson Matthey (JM)Pt/C catalysts. The TKK Pt/C has a higher EASA than Pt_Cube10/K, as expected from their relative particles sizes (3–4 nm vs. 6–7 nm for Pt_Cube10/K), however, Pt_Cube10/K has a significantly better FA oxidation activity.

Key words： synthesis; cube-like Pt; Pt/C composite; catalyst; impedance

Acknowledgements

This work is financially supported by Ontario-China Research and Innovation Fund (OCRIF Round 3) and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) via a Discovery Grant.

References

1 LaMer V K, Dinegar  R H. Theory, Production and mechanism of formation of monodispersed hydrosols. Journal of the American Chemical Society, 1950, 72(11): 4847–4854 

2 Pajonk G M, Rao  A V, Pinto  N, Ehrburger-Dolle F ,  Gil M B . Monolithic carbon aerogels for fuel cell electrodes. In: Delmon P A J R M J A M P G B, Poncelet G. eds. Studies in Surface Science and Catalysis. Elsevier, 1998: 167–174

3 Wang C, Hou  Y, Kim J ,  Sun S. A general strategy for synthesizing fept nanowires and nanorods. Angewandte Chemie International Edition, 2007, 46(33): 6333–6335 

4 Wang C, Daimon  H, Onodera T ,  Koda T, Sun  S. A general approach to the size- and shape-controlled synthesis of platinum nanoparticles and their catalytic reduction of oxygen. Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47(19): 3588–3591

5 Antolini E. Composite materials: an emerging class of fuel cell catalyst supports. Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 100(3–4): 413–426 

6 Lee Y W, Han  S B, Kim  D Y, Park  K W. Monodispersed platinum nanocubes for enhanced electrocatalytic properties in alcohol electrooxidation. Chemical Communications, 2011, 47(22): 6296–6298 

7 Du L, Shao  Y, Sun J ,  Yin G, Liu  J, Wang Y . Advanced catalyst supports for PEM fuel cell cathodes. Nano Energy, 2016, 29: 314–322 

8 Fu K, Wang  Y, Mao L ,  Jin J, Yang  S, Li G . Facile one-pot synthesis of graphene-porous carbon nanofibers hybrid support for Pt nanoparticles with high activity towards oxygen reduction. Electrochimica Acta, 2016, 215: 427–434 

9 Li Q, Sun  S. Recent advances in the organic solution phase synthesis of metal nanoparticles and their electrocatalysis for energy conversion reactions. Nano Energy, 2016, 29: 178–197 

10 Zhang J. Recent advances in cathode electrocatalysts for PEM fuel cells. Frontiers in Energy, 2011, 5(2): 137–148 

11 Job N, Pereira  M F R, Lambert  S, Cabiac A ,  Delahay G ,  Colomer J F ,  Marien J ,  Figueiredo J L ,  Pirard J P . Highly dispersed platinum catalysts prepared by impregnation of texture-tailored carbon xerogels. Journal of Catalysis, 2006, 240(2): 160–171

12 Antolini E. Carbon supports for low-temperature fuel cell catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 88(1–2): 1–24 

13 Antolini E. Structural parameters of supported fuel cell catalysts: the effect of particle size, inter-particle distance and metal loading on catalytic activity and fuel cell performance. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 181: 298–313

14 Antolini E. Nitrogen-doped carbons by sustainable N- and C-containing natural resources as nonprecious catalysts and catalyst supports for low temperature fuel cells. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016, 58: 34–51

15 Cherstiouk O V ,  Simonov A N ,  Moseva N S ,  Cherepanova S V ,  Simonov P A ,  Zaikovskii V I ,  Savinova E R . Microstructure effects on the electrochemical corrosion of carbon materials and carbon-supported Pt catalysts. Electrochimica Acta, 2010, 55(28): 8453–8460

16 Li D, Wang  C, Tripkovic D ,  Sun S, Markovic  N M, Stamenkovic  V R. Surfactant removal for colloidal nanoparticles from solution synthesis: the effect on catalytic performance. ACS Catalysis, 2012, 2(7): 1358–1362

17 Wang X M, Wang  M E, Zhou  D D, Xia  Y Y. Structural design and facile synthesis of a highly efficient catalyst for formic acid electrooxidation. Physical Chemistry Chemical Physics, 2011, 13(30): 13594–13597

18 Antolini E, Gonzalez  E R. Polymer supports for low-temperature fuel cell catalysts. Applied Catalysis A, General, 2009, 365(1): 1–19

19 Moghaddam R B ,  Ali O Y ,  Javashi M ,  Warburton P L ,  Pickup P G . The effects of conducting polymers on formic acid oxidation at Pt nanoparticles. Electrochimica Acta, 2015, 162: 230–236 

20 Ochal P, Gomez de la Fuente  J L, Tsypkin  M, Seland F ,  Sunde S ,  Muthuswamy N ,  Rønning M ,  Chen D, Garcia  S, Alayoglu S ,  Eichhorn B . CO stripping as an electrochemical tool for characterization of Ru@Pt core-shell catalysts. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2011, 655(2): 140–146 

21 Guo K, Wang  Y, Chen H ,  Ji J, Zhang  S, Kong J ,  Liu B.An aptamer–SWNT biosensor for sensitive detection of protein via mediated signal transduction. Electrochemistry Communications, 2011, 13(7): 707–710 

22 Alipour Moghadam Esfahani R ,  Vankova S K ,  Monteverde Videla A H A ,  Specchia S . Innovative carbon-free low content Pt catalyst supported on Mo-doped titanium suboxide (Ti₃O₅-Mo) for stable and durable oxygen reduction reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 201: 419–429 

23 Su N, Hu  X, Zhang J ,  Huang H ,  Cheng J ,  Yu J, Ge  C. Plasma-induced synthesis of Pt nanoparticles supported on TiO₂ nanotubes for enhanced methanol electro-oxidation. Applied Surface Science, 2017, 399: 403–410

24 Yuan Q, Duan  D, Ma Y ,  Wei G, Zhang  Z, Hao X ,  Liu S. Performance of nano-nickel core wrapped with Pt crystalline thin film for methanol electro-oxidation. Journal of Power Sources, 2014, 245: 886–891 

25 Wang Y J, Fang  B, Li H ,  Bi X T ,  Wang H. Progress in modified carbon support materials for Pt and Pt-alloy cathode catalysts in polymer electrolyte membrane fuel cells. Progress in Materials Science, 2016, 82: 445–498

26 Shahgaldi S, Hamelin  J. Improved carbon nanostructures as a novel catalyst support in the cathode side of PEMFC: a critical review. Carbon, 2015, 94: 705–728 

27 Prabakar S J R ,  Kim Y, Jeong  J, Jeong S ,  Lah M S ,  Pyo M. Graphite oxide as an efficient and robust support for Pt nanoparticles in electrocatalytic methanol oxidation. Electrochimica Acta, 2016, 188: 472–479

28 Luo M, Hong  Y, Yao W ,  Huang C ,  Xu Q, Wu  Q. Facile removal of polyvinylpyrrolidone (PVP) adsorbates from Pt alloy nanoparticles. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(6): 2770–2775

29 Niu Z, Li  Y. Removal and utilization of capping agents in nanocatalysis. Chemistry of Materials, 2014, 26(1): 72–83 

30 Biegler T, Rand  D A J, Woods  R. Limiting oxygen coverage on platinized platinum; relevance to determination of real platinum area by hydrogen adsorptionOriginal. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 1971, 29(2): 269–277 

31 Trasatti S, Petrii  O A. Real surface area measurements in electrochemistry. Journal of Electroanalytical Chemistry, 1992, 327(1-2): 353–376 

32 Reid O R, Saleh  F S, Easton  E B. Determining electrochemically active surface area in PEM fuel cell electrodes with electrochemical impedance spectroscopy and its application to catalyst durability. Electrochimica Acta, 2013, 114: 278–284

33 Wang W, Guo  S, Lee I ,  Ahmed K ,  Zhong J ,  Favors Z ,  Zaera F ,  Ozkan M ,  Ozkan C S . Hydrous ruthenium oxide nanoparticles anchored to graphene and carbon nanotube hybrid foam for supercapacitors. Scientific Reports, 2014, 4(1): 4452

34 Moghaddam R B ,  Pickup P G . An electrochemical impedance study of thin polycarbazole films. Electrochimica Acta, 2014, 130: 577–582 

35 Wang Y J, Zhao  N, Fang B ,  Li H, Bi  X T, Wang  H. Effect of different solvent ratio (ethylene glycol/water) on the preparation of Pt/C catalyst and its activity toward oxygen reduction reaction. RSC Advances, 2015, 5(70): 56570–56577

36 Rice C A, Bauskar  A, Pickup P G . Recent advances in electrocatalysis of formic acid oxidation. In: M. Shao (Ed.) Electrocatalysis in Fuel Cells: A Non- and Low- Platinum Approach. London: Springer, 2013: 69–87

37 Rice C, Ha  S, Masel R I ,  Waszczuk P ,  Wieckowski A ,  Barnard T . Direct formic acid fuel cells. Journal of Power Sources, 2002, 111(1): 83–89 

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

39 Brummer S B, Makrides  A C. Adsorption and oxidation of formic acid on smooth platinum electrodes in perchloric acid solutions. Journal of Physical Chemistry, 1964, 68(6): 1448–1459