Activity, stability, and degradation mechanisms of platinum and platinum alloy nanoparticle PEM fuel cell electrocatalysts

Aktivität, Stabilität und Degradationsmechanismen von Platin und Platin-Legierungsnanopartikel PEM Brennstoffzellen-Elektrokatalysatoren

  • The fundamental understanding of structure - activity - stability relations is important to develop novel PEM fuel cell catalysts with highly catalytic efficiency. In this thesis experimental work was carried out to clarify the various factors influencing the structure - stability – activity relations, such as support materials, catalytically active components and thermal stabilities of platinum nanoparticles. Therefore, only the properties of the support material were varied (BET surface area, The fundamental understanding of structure - activity - stability relations is important to develop novel PEM fuel cell catalysts with highly catalytic efficiency. In this thesis experimental work was carried out to clarify the various factors influencing the structure - stability – activity relations, such as support materials, catalytically active components and thermal stabilities of platinum nanoparticles. Therefore, only the properties of the support material were varied (BET surface area, porosity, graphitization and nitrogen doping) at comparable catalytically active component. In summary, it can be pointed out that all tested support materials are suitable as a cathode catalyst. Here, the graphitization of the support material controls the catalyst stability. To clarify the influence of the catalytically active component supported on the same carbon material, different bimetallic alloy catalysts were synthesized (Pt-Cu, Pt-Co, Pt-Ni) and compared with commercially available pure platinum catalysts. All bimetallic catalysts show significantly higher intrinsic activities compared with pure platinum catalysts at comparable particle sizes. Based on the results of the stability studies, a life cycle model was designed, evaluated and provided for fuel cell catalysts. Finally, the thermal stability of platinum nanoparticles (<3 nm) was time-resolved (in situ) observed by using of high temperature X-ray diffraction. The stability-influencing factors (loading, BET surface area, temperature, particle size) were identified. This work provides a catalyst prediction to directly compare the different characteristics and to evaluate its thermal stability without experimentation. This present work serves to better understanding of the relationship between structure, activity and stability for PEM fuel cell catalysts.show moreshow less
  • Das fundamentale Verständnis von Struktur – Aktivität – Stabilität Beziehungen ist für die rationale Weiterentwicklung und Optimierung von PEM Brennstoffzellenkatalysatoren von entscheidender Bedeutung. In dieser Dissertation wurden experimentelle Arbeiten durchgeführt, die eine Differenzierung der verschiedenen Einflussfaktoren für das Struktur – Aktivität – Stabilität Verhältnis ermöglichen. Es wurden Einflüsse des Trägermaterials, der katalytisch aktiven Komponente sowie die thermische StabilDas fundamentale Verständnis von Struktur – Aktivität – Stabilität Beziehungen ist für die rationale Weiterentwicklung und Optimierung von PEM Brennstoffzellenkatalysatoren von entscheidender Bedeutung. In dieser Dissertation wurden experimentelle Arbeiten durchgeführt, die eine Differenzierung der verschiedenen Einflussfaktoren für das Struktur – Aktivität – Stabilität Verhältnis ermöglichen. Es wurden Einflüsse des Trägermaterials, der katalytisch aktiven Komponente sowie die thermische Stabilität von Platin Nanopartikeln erforscht. Um den Einfluss des Trägermaterials zu bestimmen, wurden experimentelle Studien durchgeführt, in denen die Eigenschaften des Trägermaterials (BET Oberfläche, Porosität, Graphitisierung und Stickstoff-Dotierung) variiert, die katalytisch aktive Komponente jedoch gleich gelassen wurde. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass alle charakterisierten und evaluierten Trägermaterialien für den Einsatz als Kathodenkatalysator geeignet sind. Die Stabilität wird positiv durch Graphitisierung des Trägermaterials beeinflusst. Zur Klärung des Einflusses der katalytisch aktiven Komponente wurden verschiedene bimetallische Legierungskatalysatoren synthetisiert (Pt-Cu, Pt-Co, Pt-Ni) und mit kommerziellen reinen Platin Katalysatoren verglichen. Alle bimetallischen Katalysatoren weisen eine deutlich höhere intrinsische Aktivität auf als ihre korrespondierenden reinen Platin Katalysatoren bei vergleichbarer Partikelgröße. Aus den durchgeführten Stabilitätsuntersuchungen wurde ein Lebenszyklusmodell für Brennstoffzellenkatalysatoren entwickelt und im Folgenden evaluiert sowie bestätigt. Abschließend wurde die thermische Stabilität von Platin Nanopartikeln (< 3 nm) zeitaufgelöst (in situ) mittels Hochtemperatur XRD untersucht. Die stabilitätsbeeinflussenden Faktoren (Beladung, BET Oberfläche, Temperatur, Partikelgröße) wurden identifiziert sowie ein Model vorgestellt, dass es ermöglicht, Katalysatoren mit verschiedener Charakteristik direkt zu vergleichen und hinsichtlich ihrer thermischen Stabilität ohne experimentellen Aufwand zu bewerten. Die vorliegenden experimentellen Arbeiten dienen zum weiteren und vertiefenden Verständnis der Struktur – Aktivität – Stabilität Beziehungen von PEM Brennstoffzellenkatalysatoren.show moreshow less

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Metadaten
Author: Frédéric Hasché
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-34822
Advisor:Prof. Dr. Peter Strasser
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/04/10
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/02/08
Release Date:2012/04/10
Tag:Degradation; PEM Brennstoffzelle; Platin; Platin-Legierung; Sauerstoffreduktionsreaktion
PEM fuel cell; degradation; oxygen reduction reaction; platinum; platinum alloy
Institutes:Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)