Electrochemical Quartz Crystal Nanobalance Analyses of Electrocatalysis for Fuel Cells

燃料电池电催化的电化学石英晶体纳米天平分析

基本信息

  • 批准号:
    13650881
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.24万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
  • 财政年份:
    2001
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    2001 至 2002
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

In order to find a clue for a design of high-performance electrocatalysts for fuel cells, we analyzed electrode reactions on Pt-Fe and Pt-Co alloy in comparison with that on pure Pt by using an electrochemical quartz crystal nanobalance (EQCN). We obtained the following results.1. We succeeded to construct 10MHz-EQCN system with a specially designed electrochemical cell, and confirmed the ultimate accuracy of ±0.1 Hz (±0.4 ng/cm^2) and high stability among long time.2. It was found that the Pt-Fe and Pt-Co electrodes were electrochemically stabilized by a formation of a few monolayers of Pt-skin layer during several repetitive potential sweeps in 0.1 M HClO_4 solution, i.e., a dissolution of alloy components followed by a rearrangement of thin Pt layer. The results obtained by XPS, ICP and EC-STM complement the EQCN results.3. A CO-tolerance at Pt-Fe and Pt-Co alloy electrodes was analyzed by the EQCN. In a positive-going potential scan at CO-adsorbed (θ_<co>=1) electrodes of pure Pt a … More nd Pt-Fe or Pt-Co alloy, a pre-oxidation peak (P_1) was observed at 0.3 to 0.5 V vs. RHE before a major CO oxidation peak (P_2) at 0.7 V. Each P_1 was assigned to an oxidation of weakly-adsorbed CO at Pt-Fe and Pt-Co alloys and adsorbed carboxylate at pure Pt, respectively. This is consistent with our previous results by in-situ FTIR, and strongly supports a modified electronic structure of the Pt-skin from that of pure Pt, which has been proposed by us. At P_2 region, CO is oxidized by OH formed by H_2O discharge and vacant sites on both of the electrodes formed by the oxidation of CO or CO-related species (COOH) are partly occupied by hydrated ClO_4 anions.4. Oxygen reduction reactions (ORR) at Pt, Pt-Fe, and Pt-Co electrodes in O_2-saturated 0.1 M HClO_4 solution were analyzed by the EQCN. At pure Pt, a constant amount of reaction intermediate such as Pt-O (ca. 20 %) always adsorbed on the surface even under high overvoltage. In contrast, the amount of such an intermediate was found to be fairly low at Pt-Fe and Pt-Co electrodes, probably due to a fast ORR kinetics. Such a difference between alloys and pure Pt may be ascribed to modified electronic structure of the Pt-skin. Less
为了为燃料电池高性能电催化剂的设计寻找线索,我们利用电化学石英晶体纳米天平(EQCN)对Pt-Fe和Pt-Co合金上的电极反应与纯Pt上的电极反应进行了比较。结果如下: 1.我们利用专门设计的电化学电池成功构建了10MHz-EQCN系统,并证实了最终的精度为±0.1 Hz(±0.4 ng/cm^2)和高稳定性。 2.发现Pt-Fe和Pt-Co电极在0.1 M HClO_4溶液中多次重复电位扫描期间通过形成一些单层Pt-皮层而实现电化学稳定,即溶解XPS、ICP 和 EC-STM 获得的结果补充了 EQCN 的结果。3. Pt-Fe 和 Pt-Co 合金电极通过 EQCN 对纯 Pt、Pt-Fe 或 Pt-Co 合金的 CO 吸附 (θ_<co>=1) 电极进行正向电位扫描进行分析。 ,在相对于 RHE 的 0.3 至 0.5 V 处观察到预氧化峰 (P_1),然后在 0.7 V 处观察到主要 CO 氧化峰 (P_2)。每个 P_1分别归因于 Pt-Fe 和 Pt-Co 合金中弱吸附 CO 的氧化以及纯 Pt 中吸附羧酸盐的氧化,这与我们之前通过原位 FTIR 得到的结果一致,并且强烈支持了修改后的电子结构。由我们提出的纯Pt的Pt-皮在P_2区域,CO被H_2O放电形成的OH和形成的两个电极上的空位氧化。 CO或CO相关物质(COOH)的氧化部分被水合ClO_4阴离子占据。4.在O_2饱和的0.1 M HClO_4溶液中,在Pt、Pt-Fe和Pt-Co电极上进行了氧还原反应(ORR)。通过 EQCN 分析,在纯 Pt 中,恒定量的反应中间体如 Pt-O(约 20%)始终吸附在表面上。相反,在 Pt-Fe 和 Pt-Co 电极上,这种中间体的含量相当低,这可能是由于合金和纯 Pt 之间的快速 ORR 动力学差异所致。 Pt-皮肤的电子结构。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
H. Uchida, and M. Watanabe: "Status and research subjects of fuel cells"Membrane (The Membrane Society of Japan). 28, No. 1. 2-7 (2003)
H. Uchida 和 M. Watanabe:“燃料电池的现状和研究主题”膜(日本膜学会)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
内田裕之, 渡辺政廣: "固体高分子形燃料電池の概要"膜(日本膜学会). 28(No.1). 2-7 (2003)
Hiroyuki Uchida、Masahiro Watanabe:“聚合物电解质燃料电池概述”(日本膜学会)28(第 1 期)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
渡辺政廣, 内田裕之(分担執筆): "界面ハンドブック"(株)エヌ・ティー・エス. 1280(7) (2001)
Masahiro Watanabe、Hiroyuki Uchida(合着):《接口手册》NTS Co., Ltd. 1280(7) (2001)
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Hiroyuki Uchida, Hitomi Ozuka, Masahiro Watanabe: "Electrochemical Quartz Crystal Microbalance Analysis of Co-Tolerance at Pt-Fe alloy Electrodes"Electrochimica Acta. (印刷中). (2002)
Hiroyuki Uchida、Hitomi Ozuka、Masahiro Watanabe:“Pt-Fe 合金电极共容差的电化学石英晶体微天平分析”Electrochimica Acta(出版中)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
H. Uchida, H. Ozuka, and M. Watanabe: "Electrochemical quartz crystal microbalance analysis of CO-tolerance at Pt-Fe alloy electrodes"Electrochimica Acta. 47, No. 22-23. 3629-3636 (2002)
H. Uchida、H. Ozuka 和 M. Watanabe:“Pt-Fe 合金电极 CO 耐受性的电化学石英晶体微天平分析”Electrochimica Acta。
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