The slow rate of the oxygen reduction reaction (ORR) in the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is the main limitation for automotive applications. We demonstrated that the Pt3Ni(111) surface is 10-fold more active for the ORR than the corresponding Pt(111) surface and 90-fold more active than the current state-of-the-art Pt/C catalysts for PEMFC. The Pt3Ni(111) surface has an unusual electronic structure (d-band center position) and arrangement of surface atoms in the near-surface region. Under operating conditions relevant to fuel cells, its near-surface layer exhibits a highly structured compositional oscillation in the outermost and third layers, which are Pt-rich, and in the second atomic layer, which is Ni-rich. The weak interaction between the Pt surface atoms and nonreactive oxygenated species increases the number of active sites for O2 adsorption.

Heterogeneous catalysts that contain bimetallic nanoparticles may undergo segregation of the metals, driven by oxidizing and reducing environments. The structure and composition of core-shell Rh 0.5 Pd 0.5 and Pt 0.5 Pd 0.5 nanoparticle catalysts were studied in situ, during oxidizing, reducing, and catalytic reactions involving NO, O 2 , CO, and H 2 by x-ray photoelectron spectroscopy at near-ambient pressure. The Rh 0.5 Pd 0.5 nanoparticles underwent dramatic and reversible changes in composition and chemical state in response to oxidizing or reducing conditions. In contrast, no substantial segregation of Pd or Pt atoms was found in Pt 0.5 Pd 0.5 nanoparticles. The different behaviors in restructuring and chemical response of Rh 0.5 Pd 0.5 and Pt 0.5 Pd 0.5 nanoparticle catalysts under the same reaction conditions illustrates the flexibility and tunability of the structure of bimetallic nanoparticle catalysts during catalytic reactions.

The surface properties of PtM (M = Co, Ni, Fe) polycrystalline alloys are studied by utilizing Auger electron spectroscopy, low energy ion scattering spectroscopy, and ultraviolet photoemission spectroscopy. For each alloy initial surface characterization was done in an ultrahigh vacuum (UHV) system, and depending on preparation procedure it was possible to form surfaces with two different compositions. Due to surface segregation thermodynamics, annealed alloy surfaces form the outermost Pt-skin surface layer, which consists only platinum atoms, while the sputtered surfaces have the bulk ratio of alloying components. The measured valence band density of state spectra clearly shows the differences in electronic structures between Pt-skin and sputtered surfaces. Well-defined surfaces were hereafter transferred out from UHV and exposed to the acidic (electro)chemical environment. The electrochemical and post-electrochemical UHV surface characterizations revealed that Pt-skin surfaces are stable during and after immersion to an electrolyte. In contrast all sputtered surfaces formed Pt-skeleton outermost layers due to dissolution of transition metal atoms. Therefore, these three different near-surface compositions (Pt-skin, Pt-skeleton, and pure polycrystalline Pt) all having pure-Pt outermost layers are found to have different electronic structures, which originates from different arrangements of subsurface atoms of the alloying component. Modification in Pt electronic properties alters adsorption/catalytic properties of the corresponding bimetallic alloy. The most active systems for the electrochemical oxygen reduction reaction are established to be the Pt-skin near-surface composition, which also have the most shifted metallic d-band center position versus Fermi level.

Chalcogenide aerogels based entirely on semiconducting II-VI or IV-VI frameworks have been prepared from a general strategy that involves oxidative aggregation of metal chalcogenide nanoparticle building blocks followed by supercritical solvent removal. The resultant materials are mesoporous, exhibit high surface areas, can be prepared as monoliths, and demonstrate the characteristic quantum-confined optical properties of their nanoparticle components. These materials can be synthesized from a variety of building blocks by chemical or photochemical oxidation, and the properties can be further tuned by heat treatment. Aerogel formation represents a powerful yet facile method for metal chalcogenide nanoparticle assembly and the creation of mesoporous semiconductors.

Demand on the practical synthetic approach to the high performance electrocatalyst is rapidly increasing for fuel cell commercialization. Here we present a synthesis of highly durable and active intermetallic ordered face-centered tetragonal (fct)-PtFe nanoparticles (NPs) coated with a "dual purpose" N-doped carbon shell. Ordered fct-PtFe NPs with the size of only a few nanometers are obtained by thermal annealing of polydopamine-coated PtFe NPs, and the N-doped carbon shell that is in situ formed from dopamine coating could effectively prevent the coalescence of NPs. This carbon shell also protects the NPs from detachment and agglomeration as well as dissolution throughout the harsh fuel cell operating conditions. By controlling the thickness of the shell below 1 nm, we achieved excellent protection of the NPs as well as high catalytic activity, as the thin carbon shell is highly permeable for the reactant molecules. Our ordered fct-PtFe/C nanocatalyst coated with an N-doped carbon shell shows 11.4 times-higher mass activity and 10.5 times-higher specific activity than commercial Pt/C catalyst. Moreover, we accomplished the long-term stability in membrane electrode assembly (MEA) for 100 h without significant activity loss. From in situ XANES, EDS, and first-principles calculations, we confirmed that an ordered fct-PtFe structure is critical for the long-term stability of our nanocatalyst. This strategy utilizing an N-doped carbon shell for obtaining a small ordered-fct PtFe nanocatalyst as well as protecting the catalyst during fuel cell cycling is expected to open a new simple and effective route for the commercialization of fuel cells.

Platin im Blick: Die theoretische Beschreibung elektrokatalytischer Phänomene ist eine große Herausforderung. Ein einfaches Modell auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie liefert nun eine halbquantitative Beschreibung der Kinetik der elektrokatalytischen Sauerstoffreduktion an einer Reihe binärer Platinlegierungen (Pt3M, siehe Diagramm).

This paper reports the synthesis and detailed characterization of graphite thin films produced by thermal decomposition of the (0 0 0 1) face of a 6H–SiC wafer, demonstrating the successful growth of single crystalline films down to approximately one graphene layer. The growth and characterization were carried out in ultrahigh vacuum (UHV) conditions. The growth process and sample quality were monitored by low-energy electron diffraction, and the thickness of the sample was determined by core level X-ray photoelectron spectroscopy. High-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy shows constant energy map patterns, which are very sharp and fully momentum-resolved, but nonetheless not resolution limited. We discuss the implications of this observation in connection with scanning electron microscopy data, as well as with previous studies.

The effect of porous structures on the electrocatalytic activity of N-doped carbon is studied by using electrochemical analysis techniques and the result is applied to synthesize highly active and stable Fe-N-C catalyst for oxygen reduction reaction (ORR). We developed synthetic procedures to prepare three types of N-doped carbon model catalysts that are designed for systematic comparison of the porous structures. The difference in their catalytic activity is investigated in relation to the surface area and the electrochemical parameters. We found that macro- and mesoporous structures contribute to different stages of the reaction kinetics. The catalytic activity is further enhanced by loading the optimized amount of Fe to prepare Fe-N-C catalyst. In both N-doped carbon and Fe-N-C catalysts, the hierarchical porous structure improved electrocatalytic performance in acidic and alkaline media. The optimized catalyst exhibits one of the best ORR performance in alkaline medium with excellent long-term stability in anion exchange membrane fuel cell and accelerated durability test. Our study establishes a basis for rationale design of the porous carbon structure for electrocatalytic applications.

During the past decade, the application of ambient pressure photoemission spectroscopy (APPES) has been recognized as an important in situ tool to study environmental and materials science, energy related science, and many other fields. Several APPES endstations are currently under planning or development at the USA and international light sources, which will lead to a rapid expansion of this technique. The present work describes the design and performance of a new APPES instrument at the Advanced Light Source beamline 9.3.2 at Lawrence Berkeley National Laboratory. This new instrument, Scienta R4000 HiPP, is a result of collaboration between Advanced Light Source and its industrial partner VG-Scienta. The R4000 HiPP provides superior electron transmission as well as spectromicroscopy modes with 16 μm spatial resolution in one dimension and angle-resolved modes with simulated 0.5° angular resolution at 24° acceptance. Under maximum transmission mode, the electron detection efficiency is more than an order of magnitude better than the previous endstation at beamline 9.3.2. Herein we describe the design and performance of the system, which has been utilized to record spectra above 2 mbar.