(740c) Combinatorial Screening of Carbon Supported Pt Based Binary and Ternary Systems as Electrocatalysts for Oxygen Evolution
AIChE Annual Meeting
2008
2008 Annual Meeting
Catalysis and Reaction Engineering Division
Nanoscale Materials as Catalysts I
Friday, November 21, 2008 - 8:50am to 9:15am
The surge in electrocatalyst research for the reduction of oxygen to water has been met with a less than parallel effort regarding the search for viable electrocatalysts for oxygen evolution. The evolution of oxygen represents the key challenge to achieve high efficiencies in a number of hydrogen generation/electricity storage technologies, such as the hydrogen generation from dark electrolyzers operated in combination with photovoltaic or wind power , or regenerative or bifunctional fuel cells, or photoelectrochemical hydrogen generation. Driven by this need for a new catalyst, an increasing number of research groups have shown interest in studying the evolution of oxygen (oxygen evolution reaction, OER).1 2 Our fundamental understanding and therefore the theoretical-computational design of more efficient OER catalysts is only at its beginning, and therefore few catalyst concepts have been developed to date. Given the lack of clear computational guidance at present, but to encourage a future theory-driven experimental development, we are presenting here a combinatorial study of new OER electrocatalysts. The high throughput electrochemical screening involves binary and ternary Pt-based nanoparticle electrocatalysts for the evolution of oxygen. Unlike prior studies, which gauged performance based on the relative amount of fluorescence each catalyst produced, our study yields actual electrochemical current-potential data enabling a quantitative comparison between catalysts. Figure 1 displays the results of several carbon supported Pt-M binary catalysts for the evolution of oxygen. The solid black line in figure 1 represents the capacity of 28 wt% Pt/C to evolve oxygen in 0.1M HClO4. It is clear from the figure that the Pt-Ru system is vastly superior to the other Pt-M systems, with activity tending to increase with increasing Ru content. As a result multiple Pt-Ru-M ternary systems were also synthesized and screened. Post synthesis compositional and structural analysis verify the content and phases of each sample. By gauging which materials or systems best facilitate the evolution of oxygen we will be able to excel our understanding of the oxygen evolution mechanism and/or rate limiting steps. Figure 1. Mass activities in mA/mg noble metal taken at 1.48 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE) plotted against Pt/M atomic % (at%) for the evolution of oxygen in an N2 atmosphere and 0.1 M HClO4. References 1. G. Chen, D. A. Delafuente, S. Sarangapani and T. E. Mallouk, Catalysis Today, 67, 341 (2001). 2. J. Rossmeisl, A. Logadottir and J. K. Norskov, Chem. Phys., 319, 178 (2005).
65533;���@������@������µ������µ������µ������/�����1������1������1������1������1������1��$���?��h����ì���U���������������������������µ����������������������?��"���µ������µ������µ������U��������������������������@��������������@��S��j�����- ������- ������- ������µ��î���������@������������@������? ��?����������- ������������������������������������������������������µ������/��������������- ��������������- ��������������������������������������������������������������������������- ������@������è�����`ÜXá¹È��������¸������£ ��^���- ��������������? ������?��0���°������- ������g������ ��"���g������- ������������������������������������������������������������������������������g��������������������- ��d���µ������µ������- ������µ������µ��������������������������������������µ������µ������µ������U������U��������������������������������������# �� �����������������������������������µ������µ������µ������°������µ������µ������µ������µ��������������0������0������0��d��?��$���0������0������0������?������0������0������0������������������������������������������ÿÿÿÿ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� The surge in electrocatalyst research for the reduction of oxygen to water has been met with a less than parallel effort regarding the search for viable electrocatalysts for oxygen evolution. EMBED Equation.3 The evolution of oxygen represents the key challenge to achieve high efficiencies in a number of hydrogen generation/electricity storage technologies, such as the hydrogen generation from dark electrolyzers operated in combination with photovoltaic or wind power , or regenerative or bifunctional fuel cells, or photoelectrochemical hydrogen generation. Driven by this need for a new catalyst, an increasing number of research groups have shown interest in studying the evolution of oxygen (oxygen evolution reaction, OER). ADDIN EN.CITE Chen2001141kc's library.enlEndNote14117
G. Chen D. A. Delafuente S. Sarangapani T. E. Mallouk Combinatorial discovery of bifunctional oxygen reduction - water oxidation electrocatalysts for regenerative fuel cells
Catalysis Today 341 67 2001
1 ADDIN EN.CITE Rossmeisl2005155kc's library.enlEndNote15517
J. Rossmeisl A. Logadottir J.K. Norskov Electrolysis of water on (oxidized) metal surfaces
Chem. Phys.
178
319 20052 Our fundamental understanding and therefore the theoretical-computational design of more efficient OER catalysts is only at its beginning, and therefore few catalyst concepts have been developed to date. Given the lack of clear computational guidance at present, but to encourage a future theory-driven experimental development, we are presenting here a combinatorial study of new OER electrocatalysts. The high throughput electrochemical screening involves binary and ternary Pt-based nanoparticle electrocatalysts for the evolution of oxygen. Unlike prior studies, which gauged performance based on the relative amount of fluorescence each catalyst produced, our study yields actual electrochemical current-potential data enabling a quantitative comparison between catalysts. Figure 1 displays the results of several carbon supported Pt-M binary catalysts for the evolution of oxygen. The solid black line in figure 1 represents the capacity of 28 wt% Pt/C to evolve oxygen in 0.1M HClO4. It is clear from the figure that the Pt-Ru system is vastly superior to the other Pt-M systems, with activity tending to increase with increasing Ru content. As a result multiple Pt-Ru-M ternary systems were also synthesized and screened. Post synthesis compositional and structural analysis verify the content and phases of each sample. By gauging which materials or systems best facilitate the evolution of oxygen we will be able to excel our understanding of the oxygen evolution mechanism and/or rate limiting steps. Figure 1. Mass activities in mA/mg noble metal taken at 1.48 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE) plotted against Pt/M atomic % (at%) for the evolution of oxygen in an N2 atmosphere and 0.1 M HClO4. References ADDIN EN.REFLIST 1. G. Chen, D. A. Delafuente, S. Sarangapani and T. E. Mallouk, Catalysis Today, 67, 341 (2001). 2. J. Rossmeisl, A. Logadottir and J. K. Norskov, Chem. Phys., 319, 178 (2005). �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������'��*��P��¯��z��Á��Â��'��Ö��×��Ø��á�� �� ��? ��? ��? �� ��¢ ��¯ ��ç ��è ��í ��ù �� �� �� �� ��? ��? ��² ��Ê ��ë ��ì ��í ��õêßêß'ßÅß³¢Åß?Ô?????Ô?Ô?ßÔßÔ?v?"����������������������j����hks2�h| �CJ�UaJ�hks2�hks2�CJ�aJ��hks2�høgÄ�CJ�aJ��hks2�hÉ:?�CJ�aJ��hks2�hP2�CJ�aJ��!j����hks2�huÈ�CJ�EHèÿUaJ�#jãEÛK hks2�huÈ�CJ�UVaJ�j����hks2�huÈ�CJ�UaJ�hks2�h7N�CJ�aJ��hks2�huÈ�CJ�aJ��hks2�h�CJ�aJ��hkØ�h�mHsH$�����Á��á��Þ��«��¬����®��°����?����?��?��?��?������V��ú������������ò������������æ������������ò������������æ������������á������������Ü������������Ü������������Ë������������¾������������¾������������¾������������¾������������¾������������¾������������¾������������µ������������°������������«������������������������������gdø®����gd| ���� Æ����gd| ���� Æ����?b^?bgd| ���� Æ�b�?b?fâ^?b`?fâgd?/?����gd?/?����gd7N����$?Ð`?Ða$gdks2����$a$gdks2����gd�����V��ý������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������í ��?�� ��°��¢��£��¤��¹��º��»��¼��½��?���� �� ������-��5��6��?��?����£��·��Á��Ü��Ý��Þ��ß��û��b��c��{����'��?����ª��Æ��ò������ ����õæÚæÏæõæÚæĹ®Ä®Ä®Ä£Ä®Ä®Ä®Ï?£~s£s£®£®£s®£®£s�hks2�h5Ä�CJ�aJ��j����hks2�h'Ú�CJ�UaJ�hks2�h?/?�CJ�aJ��hks2�h�CJ�aJ��hks2�h7N�CJ�aJ��hks2�hBN÷�CJ�aJ��hks2�hP2�CJ�aJ��hks2�huÈ�CJ�aJ��hks2�høgÄ�CJ�aJ��hks2�h| �CJ�H*aJ�j����hks2�h| �CJ�UaJ�hks2�h| �CJ�aJ�-��-��5��6��K��W��r��|��}��?��?��*��I��[��c����Ä��Ç��Ø��ã��ò��ª��«��¬��®��¯��°��¹��ò��>��a��c��|��}��~��?��?��?����?��£��¤��ä��õêõêõêõßõ"õÈõ½õßõÈßȽ깲¹®¦¹®¹°¹°¹®®??w?w������������������������hks2�h| �CJ�aJ��j����hks2�h| �CJ�UaJ�hks2�h| �5,J�aJ�hks2�� h?/?�H*h?/?�h?/?�5h| ��h?/?�h?/?��h?/?��hks2�h?/?�CJ�aJ��hks2�h¹eÃ�CJ�aJ��hks2�h5Ä�CJ�H*aJ�hks2�hBN÷�CJ�aJ��hks2�h7N�CJ�aJ��hks2�h5Ä�CJ�aJ�*ä��ó��õ��÷��7��B��D��G��T��U��V��óèÜèóèÜèÍÂ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������hks2�h�CJ�aJ��j����hks2�h| �CJ�UaJ�hks2�h| �5,J�aJ�hks2�h| �CJ�aJ��hks2�h| �6,J�aJ�� 6�&P�1h:p&o�°Ð/ °à=!°8"°8# $ %°��°Ð°ÐÐ@=gC��L¦ãCþËä?î?����������!��?��ÈB�Ð/-����þxÚí\?'?¾õºÝ=?3N#¢Î ?ï?Dé ¨? >P?°?âiT>g²6Ù Ëú$Á?g?F4*j\eÁWtùâ?ý¢°1³¸?ÞsnÝÛuººªº{¦{fØù¾3]·Î©sϽçÜ{«nú5ÆØÌùë'?±BNùÛ3ë[ÁXÅÄÏaLcÝW26É`¬?¥ÿ]eì"^?½ ÇåZ:oNÁ¦?a2PÀ:êN×bëÇe@zÙ+ ìeºM({%Ð)Û7f²®Rß)±Hê¸èPÇ51]è2E©i\e,?â?1?:îÁìã?ÌnG±5"˽e?TIÙã@a¹' ÙÇ«'É$mï -UgùTv?Ëf³[ 'ß?ßü^Ìn?s3Ù