Synthesis of Pt-Ni/CNT Cathodic Catalyst and its Application in a PEM fuel Cell

  • D. M. López-Rosas Tecnológico Nacional de México
  • R.M. Félix-Navarro Tecnológico Nacional de México https://orcid.org/0000-0003-3178-1164
  • J. R. Flores-Hernández Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
  • C. Silva-Carrillo Tecnológico Nacional de México
  • I. L. Albarrán-Sánchez Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
  • E. A. Reynoso-Soto Tecnológico Nacional de México
Keywords: Pt-Ni, PEMFC, potential cycles

Abstract

Abstract. This work reports the synthesis, characterization, and catalytic activity of Pt-Ni/CNT with a low platinum load to use as cathode electrocatalyst in PEMFC (proton-exchange membrane fuel cells). The synthesis of nickel particles on the carbon nanotubes surface was carried out by chemical reduction of a Ni(ethylenediamine) complex; after that, the galvanic displacement reaction was performed to platinum deposition onto Ni/CNT. The Pt-Ni/CNT was deposited by spray technique on a gas diffuser layer (GDL) and subsequently subjected to several potential cycles to promote Ni atoms migration. Finally, its catalytic activity was evaluated in a fuel cell.

 

Resumen. En este trabajo, se reporta la síntesis, caracterización y evaluación catalítica del electrocatalizador Pt-Ni/CNT con bajo contenido de platino, empleado como electrocatalizador catódico en una celda de combustible tipo PEMFC (Celda de combustible de membrana de intercambio protónico). La síntesis de las partículas de níquel sobre la superficie de los nanotubos de carbono se llevó a cabo mediante la reducción química del complejo de Ni(etilendiamina) y posteriormente, se depositó platino sobre el material Ni/CNT mediante la reacción de desplazamiento galvánico. Se depositó una película de Pt-Ni/CNT sobre un difusor de gas mediante la técnica de esprayado y posteriormente fue sometido a diversos ciclos de potencial para promover la migración de los átomos de níquel y evaluar su actividad catalítica en una celda de combustible.

Author Biographies

D. M. López-Rosas, Tecnológico Nacional de México

Instituto Tecnológico de Tijuana. Posgrado en Ciencias de la Ingeniería

R.M. Félix-Navarro, Tecnológico Nacional de México

Instituto Tecnológico de Tijuana. Centro de Graduados e Investigación

C. Silva-Carrillo, Tecnológico Nacional de México

Instituto Tecnológico de Tijuana. Centro de Graduados e Investigación

E. A. Reynoso-Soto, Tecnológico Nacional de México

Instituto Tecnológico de Tijuana. Posgrado en Ciencias de la Ingeniería

Instituto Tecnológico de Tijuana. Centro de Graduados e Investigación

References

Meyer, Q.; Zeng, Y.; Zhao, C. Adv. Mater. 2019, 31 (40), 1901900 DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201901900

Wang, L.; Wan, X.; Liu, S.; Xu, L. Shui, J. J. Energy Chem. 2019, 39, 77-87 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.12.019

Singh, K.; Tetteh, E. B.; Lee, H.-Y.; Kang, T.-H.; Yu, J.-S. ACS Catal. 2019, 9 (9), 8622-8645 DOI: https://doi.org/10.1021/acscatal.9b01420

Safo, I. A.; Dosche, C.; Özaslan, M. Chemphyschem. 2019, 20 (22), 3010-3023 DOI: https://doi.org/10.1002/cphc.201900653

Beermann, V.; Holtz, M. E.; Padgett, E.; de Araujo, J. F.; Muller, D. A.; Strasser, P. Energy Environ. Sci. 2019, 12 (8), 2476-2485 DOI: https://doi.org/10.1039/C9EE01185D

Yang, H.; Ko, Y.; Lee, W.; Züttel, A.; Kim, W. Mater. Today Energy 2019, 13, 374-381 DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2019.06.007

Daş, E.; Alkan Gürsel, S.; Bayrakçeken Yurtcan, A. J. Supercrit. Fluids 2020, 165, 104962 DOI: https://doi.org/10.1016/j.supflu.2020.104962

Sudirman, S.; Adi, W.; Budianto, E.; Khaerudini, D.; Yudianti, R. Int. J. of Chem. 2019, 12, 37 DOI: https://doi.org/10.5539/ijc.v12n1p37

Liu, Z.; Abdelhafiz, A. A.; Jiang, Y.; Qu, C.; Chang, I.; Zeng, J.; Liao, S.; Alamgir, F. M. Mater. Chem. Phys. 2019, 225, 371-378 DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.12.100

Daş, E.; Kaplan, B. Y.; Gürsel, S. A.; Yurtcan, A. B. Renew. Energy 2019, 139, 1099-1110 DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.02.137

Guzman, C.; Verde, Y.; Bustos, E.; Manriquez, F.; Terol, I.; Arriaga, L. G.; Orozco, G. ECS Trans. 2019, 20 (1), 413-423 DOI: https://doi.org/10.1149/1.3268409

Bharti, A.; Cheruvally, G. J. Power Sources 2017, 360, 196-205 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.117

Chen, C.; Kang, Y.; Huo, Z.; Zhu, Z.; Huang, W.; Xin, H. L.; Snyder, J. D.; Li, D.; Herron, J. A.; Mavrikakis, M.; Chi, M.; More, K. L.; Li, Y.; Markovic, N. M.; Somorjai, G. A.; Yang, P.; Stamenkovic, V. R. Sci. 2014, 343 (6177), 1339-1343 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1249061

Wang, Z.; Yao, X.; Kang, Y.; Miao, L.; Xia, D.; Gan, L. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (35), 1902987 DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201902987

Singh, K.; Tetteh, E. B.; Lee, H.-Y.; Kang, T.-H.; Yu, J.-S. ACS Catal. 2019, 9 (9), 8622-8645 DOI: https://doi.org/10.1021/acscatal.9b01420

Gan, L.; Heggen, M.; Rudi, S.; Strasser, P. Nano Lett. 2012, 12 (10), 5423-5430 DOI: https://doi.org/10.1021/nl302995z

Becknell, N.; Kang, Y.; Chen, C.; Resasco, J.; Kornienko, N.; Guo, J.; Markovic, N. M.; Somorjai, G. A.; Stamenkovic, V. R.; Yang, P. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (50), 15817-15824 DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5b09639

Ghosh Chaudhuri, R.; Paria, S. Chem. Rev. 2012, 112 (4), 2373-2433 DOI: https://doi.org/10.1021/cr100449n

Alia, S. M.; Yan, Y. S.; Pivovar, B. S. Catal. Sci. Technol. 2014, 4 (10), 3589-3600 DOI: https://doi.org/10.1039/C4CY00736K

Ercolano, G.; Farina, F.; Stievano, L.; Jones, D. J.; Rozière, J.; Cavaliere, S. Catal. Sci. Technol. 2019, 9 (24), 6920-6928 DOI: https://doi.org/10.1039/C9CY01514K

Kang, Y. S.; Jung, J. Y.; Choi, D.; Sohn, Y.; Lee, S.-H.; Lee, K.-S.; Kim, N. D.; Kim, P.; Yoo, S. J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12 (14), 16286-16297 DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.9b22615

Oezaslan, M.; Hasché, F.; Strasser, P. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4 (19), 3273-3291 DOI: https://doi.org/10.1021/jz4014135

Tian, X.; Zhao, X.; Su, Y.-Q.; Wang, L.; Wang, H.; Dang, D.; Chi, B.; Liu, H.; Hensen, E. J. M.; Lou, X. W.; Xia, B. Y. Science 2019, 366 (6467), 850-856 DOI: https://doi.org/10.1126/science.aaw7493

Pavlišič, A.; Jovanovič, P.; Šelih, V. S.; Šala, M.; Bele, M.; Dražić, G.; Arčon, I.; Hočevar, S.; Kokalj, A.; Hodnik, N.; Gaberšček, M. ACS Catal. 2016, 6 (8), 5530-5534 DOI: https://doi.org/10.1021/acscatal.6b00557

Ho, F. F. L.; Reilley, C. N. Anal. Chem. 1969, 41 (13), 1835-1841 DOI: https://doi.org/10.1021/ac60282a008

De Stefano, C.; Foti, C.; Sammartano, S. J. Chem. Eng. Data 1999, 44 (4), 744-749 DOI: https://doi.org/10.1021/je980319n

Yang, Y.; Li, S.; Xie, C.; Liu, H.; Wang, Y.; Mei, Q.; Liu, H.; Han, B. Chin. Chem. Lett. 2019, 30 (1), 203-206 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cclet.2018.04.006

Zhang, L.; Chu, X.; Yuan, S.-m.; Zhao, G.-c. RSC Adv. 2015, 5 (52), 41317-41323 DOI: https://doi.org/10.1039/C5RA03306C

Watkins, C. L.; Vigee, G. S. J. Phys. Chem. A 1976, 80 (1), 83-88 DOI: https://doi.org/ 10.1021/j100542a018

Tsierkezos, N.; Schröder, D.; Schwarz, H. Int. J. Mass Spectrom 2004, 235, 33-42 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijms.2004.03.005

Reyes-Cruzaley, A. P.; Félix-Navarro, R. M.; Trujillo-Navarrete, B.; Silva-Carrillo, C.; Zapata-Fernández, J. R.; Romo-Herrera, J. M.; Contreras, O. E.; Reynoso-Soto, E. A. Electrochim. Acta 2019, 296, 575-581 DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.11.023

Osorio, A. G.; Silveira, I. C. L.; Bueno, V. L.; Bergmann, C. P. Appl. Surf. Sci. 2008, 255 (5, Part 1), 2485-2489 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.07.144

Rodriguez, J. R.; Félix, R. M.; Reynoso, E. A.; Gochi-Ponce, Y.; Gómez, Y. V.; Moyado, S. F.; Alonso-Núñez, G. J. Energy Chem. 2014, 23 (4), 483-490 DOI: https://doi.org/10.1016/S2095-4956(14)60175-3

Baldizzone, C.; Gan, L.; Hodnik, N.; Keeley, G. P.; Kostka, A.; Heggen, M.; Strasser, P.; Mayrhofer, K. J. J. ACS Catal. 2015, 5 (9), 5000-5007 DOI: https://doi.org/10.1021/acscatal.5b01151

Glüsen, A.; Dionigi, F.; Paciok, P.; Heggen, M.; Müller, M.; Gan, L.; Strasser, P.; Dunin-Borkowski, R. E.; Stolten, D. ACS Catal. 2019, 9 (5), 3764-3772 DOI: https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04883

Erlebacher, J. Phys. Rev. Lett. 2011, 106 (22), 225504 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.225504

Wang, D.; Zhao, P.; Li, Y. Sci. rep. 2011, 1, 37 DOI: https://doi.org/10.1038/srep00037

Rudi, S.; Gan, L.; Cui, C.; Gliech, M.; Strasser, P. J. Electrochem. Soc. 2015, 162 (4), F403-F409 DOI: https://doi.org/10.1149/2.0621504jes

Tuaev, X.; Rudi, S.; Petkov, V.; Hoell, A.; Strasser, P. ACS Nano 2013, 7 (7), 5666-5674 DOI: https://doi.org/10.1021/nn402406k

Lin, R.; Che, L.; Shen, D.; Cai, X. Electrochim. Acta 2020, 330, 135251 DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135251

Rudi, S.; Cui, C.-H.; Gan, L.; Strasser, P. Electrocatalysis 2014, 5, 408-418 DOI: https://doi.org/10.1007/s12678-014-0205-2

Urchaga, P.; Baranton, S.; Coutanceau, C. Electrochim. Acta 2013, 92, 438-445 DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.01.042

Takeshita, T.; Kamitaka, Y.; Shinozaki, K.; Kodama, K.; Morimoto, Y. J. Electroanal. Chem. 2020, 871, 114250 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114250

Rudi, S.; Teschner, D.; Beermann, V.; Hetaba, W.; Gan, L.; Cui, C.; Gliech, M.; Schlögl, R.; Strasser, P. ACS Catal. 2017, 7 (9), 6376-6384 DOI: 10.1021/acscatal.7b00996

Vidaković, T.; Christov, M.; Sundmacher, K. Electrochim. Acta 2007, 52 (18), 5606-5613 DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2006.12.057

Becknell, N.; Son, Y.; Kim, D.; Li, D.; Yu, Y.; Niu, Z.; Lei, T.; Sneed, B. T.; More, K. L.; Markovic, N. M.; Stamenkovic, V. R.; Yang, P. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (34), 11678-11681 DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.7b05584

van der Vliet, D. F.; Wang, C.; Li, D.; Paulikas, A. P.; Greeley, J.; Rankin, R. B.; Strmcnik, D.; Tripkovic, D.; Markovic, N. M.; Stamenkovic, V. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51 (13), 3139-3142 DOI: https://doi.org/10.1002/anie.201107668

Published
01-01-2021