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Balancing Activity and Stability through Compositional Engineering of Ternary PtNi–Au Alloy ORR Catalysts

三元运算 催化作用 质子交换膜燃料电池 溶解 合金 电化学 材料科学 铂金 化学工程 纳米技术 化学 冶金 计算机科学 电极 工程类 有机化学 物理化学 程序设计语言
作者
Xianxian Xie,Valentín Briega‐Martos,Pere Alemany,Athira Lekshmi Mohandas Sandhya,Tomáš Škála,Miquel Gamón Rodríguez,Jaroslava Nováková,Milan Dopita,Michael Vorochta,Albert Bruix,Serhiy Cherevko,Konstantin M. Neyman,Iva Matolı́nová,Ivan Khalakhan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (1): 234-245 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c05269
摘要

Achieving the optimal balance between cost-efficiency and stability of oxygen reduction reaction (ORR) catalysts is currently among the key research focuses aiming at reaching a broader implementation of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). To address this challenge, we combine two well-established strategies to enhance both activity and stability of platinum-based ORR catalysts. Specifically, we prepare ternary PtNi–Au alloys, where each alloying element plays a distinct role: Ni reduces costs and boosts ORR activity, while Au enhances stability. A systematic comparative analysis of the activity–stability relationship for compositionally tuned PtNi–Au model layers, prepared by magnetron co-sputtering, was conducted using a diverse range of complementary characterization techniques and electrochemistry, supported by density functional theory calculations. Our study reveals that a progressive increase of the Au concentration in the Pt50Ni50 alloy from 3 to 15 at % leads to opposing catalyst activity and stability trends. Specifically, we observe a decrease in the ORR activity accompanied by an increase in catalyst stability, manifested in the suppression of both Pt and Ni dissolution. Despite the reduced activity compared to PtNi, the PtNi–Au alloy with 15 at % Au still exhibits nearly three times the activity of monometallic Pt. It also demonstrates a significantly improved dissolution stability relative to that of the PtNi alloy and even monometallic Pt. These findings provide valuable insights into the intricate balance between activity and stability in multimetallic ORR catalysts, paving the way for the design of cost-effective and durable materials for PEMFCs.
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