Revealing in-plane movement of platinum in polymer electrolyte fuel cells after heavy-duty vehicle lifetime

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作者
Kaustubh Khedekar,Andrea Zaffora,Monica Santamaria,Matthew Coats,Svitlana Pylypenko,Jonathan Braaten,Plamen Atanassov,Nobumichi Tamura,Lei Cheng,Christina Johnston,Iryna V. Zenyuk
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:6 (8): 676-686 被引量:32
标识
DOI:10.1038/s41929-023-00993-6
摘要

Fuel cell heavy-duty vehicles (HDVs) require increased durability of oxygen-reduction-reaction electrocatalysts, making knowledge of realistic degradation mechanisms critical. Here identical-location micro-X-ray fluorescence spectroscopy was performed on membrane electrode assemblies. The results exposed heavy in-plane movement of electrocatalyst after HDV lifetime, suggesting that electrochemical Ostwald ripening may not be a local effect. Development of local loading hotspots and preferential movement of electrocatalyst away from cathode catalyst layer cracks was observed. The heterogeneous degradation exhibited by a modified cathode gas diffusion layer membrane electrode assembly after HDV lifetime was successfully quantified by the identical-location approach. Further synchrotron micro-X-ray diffraction and micro-X-ray fluorescence experiments were performed to obtain the currently unknown correlation between electrocatalyst nanoparticle size increase and loading change. A direct correlation was discovered which developed only after HDV lifetime. The work provides a route to engineer immediate system-level mitigation strategies and to develop structured cathode catalyst layers with durable electrocatalysts. Deployment of fuel-cell-based heavy-duty vehicles requires a complete understanding of cathode degradation. Now, identical-location micro-X-ray fluorescence spectroscopy is performed on realistic membrane electrode assemblies to identify the degradation mechanisms of the platinum catalyst.
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