Tunable Synthesis of N,C-Codoped Ti3+-Enriched Titanium Oxide Support for Highly Durable PEMFC Cathode

阴极 材料科学 电催化剂 质子交换膜燃料电池 氧化物 电化学 催化作用 锐钛矿 无机化学 化学工程 化学 物理化学 电极 冶金 有机化学 工程类 光催化
作者
Eungjun Lee,Changmin Park,Dong Wook Lee,Gibaek Lee,Hee‐Young Park,Jong Hyun Jang,Hyoung‐Juhn Kim,Yung‐Eun Sung,Yongsug Tak,Sung Jong Yoo
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (20): 12080-12090 被引量:62
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c02570
摘要

The hydrogen economy expansion triggered studies on the durability of hydrogen-powered proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs), which revealed that their performance is largely hindered by the degradation of cathode support. Herein, Ti3+-enriched N,C-codoped mixed-phase TiO2 nanoparticles featuring a reduced (compared to that of pristine TiO2) band gap and containing Ti3+ ions, oxygen vacancies, and Ti–X bonds (X = O, OH, N, C) were synthesized as a durable PEMFC cathode support by annealing. The extent of doping was controlled by adjustment of dopant (urea) loading, while the abundance of defect sites resulted in an enhanced metal–support interaction (i.e., Pt–Ti bonding) for Pt/N,C-codoped TiO2, as confirmed by the shift of the most prominent Pt0 peak of Pt/N,C-codoped TiO2 to lower binding energies (by 0.96 eV) relative to that of Pt/C. Electrochemical performance testing of the above support revealed its high activity for the oxygen reduction reaction and elevated durability. In particular, a maximum power density decrease of only 4% (cf. 52% for Pt/C under the same conditions) and high durability under PEMFC operation conditions were observed in a single-cell test. Thus, the presented results highlight the great potential of TiO2 as an electrocatalyst support, paving the way to the fabrication of high-performance hydrogen fuel cells and contributing to the establishment of a hydrogen society.
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