Nine non-noble-metal catalysts (NNMCs) from five different laboratories were investigated for the catalysis of O(2) electroreduction in an acidic medium. The catalyst precursors were synthesized by wet impregnation, planetary ball milling, a foaming-agent technique, or a templating method. All catalyst precursors were subjected to one or more heat treatments at 700-1050 degrees C in an inert or reactive atmosphere. These catalysts underwent an identical set of electrochemical characterizations, including rotating-disk-electrode and polymer-electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) tests and voltammetry under N(2). Ex situ characterization was comprised of X-ray photoelectron spectroscopy, neutron activation analysis, scanning electron microscopy, and N(2) adsorption and its analysis with an advanced model for carbonaceous powders. In PEMFC, several NNMCs display mass activities of 10-20 A g(-1) at 0.8 V versus a reversible hydrogen electrode, and one shows 80 A g(-1). The latter value corresponds to a volumetric activity of 19 A cm(-3) under reference conditions and represents one-seventh of the target defined by the U.S. Department of Energy for 2010 (130 A cm(-3)). The activity of all NNMCs is mainly governed by the microporous surface area, and active sites seem to be hosted in pore sizes of 5-15 A. The nitrogen and metal (iron or cobalt) seem to be present in sufficient amounts in the NNMCs and do not limit activity. The paper discusses probable directions for synthesizing more active NNMCs. This could be achieved through multiple pyrolysis steps, ball-milling steps, and control of the powder morphology by the addition of foaming agents and/or sulfur.

Insufficient catalytic activity and durability are key barriers to the commercial deployment of low temperature polymer electrolyte membrane (PEM) and direct-methanol fuel cells (DMFCs). Recent observations suggest that carbon-based catalyst support materials can be systematically doped with nitrogen to create strong, beneficial catalyst-support interactions which substantially enhance catalyst activity and stability. Data suggest that nitrogen functional groups introduced into a carbon support appear to influence at least three aspects of the catalyst/support system: 1) modified nucleation and growth kinetics during catalyst nanoparticle deposition, which results in smaller catalyst particle size and increased catalyst particle dispersion, 2) increased support/catalyst chemical binding (or “tethering”), which results in enhanced durability, and 3) catalyst nanoparticle electronic structure modification, which enhances intrinsic catalytic activity. This review highlights recent studies that provide broad-based evidence for these nitrogen-modification effects as well as insights into the underlying fundamental mechanisms.

Nitrogen modification of carbon structures is making a vast impact across the scientific community, specifically in the realms of energy and sustainability.

The oxygen reduction reaction (ORR) processes in alkaline media that occur on a family of electrocatalyst materials derived from a Co containing precursor and a polypyrrole/C composite material (PPy/C) are investigated here. The effects of Co loading and heat treatment temperature on the CoPPy/C materials are revealed through structural evaluations and electrochemical studies. Principle component analysis (PCA), a mutivariant analysis (MVA) technique, is used to establish structure-to-property correlations for the CoPPy/C materials. In all cases, pyrolysis leads to formation of a composite catalyst material, featuring Co nanoparticles coated with Co oxides and Co2+ species associated with N−C moieties that originate from the polypyrrole structures. Based on these correlations, we are able to propose an ORR mechanism that occurs on this class of non-platinum based fuel cell cathode catalysts. The correlations suggest the presence of a dual site functionality where O2 is initially reduced at a Co2+ containing N−C type site in a 2 e− process to form HO2−, an intermediate reaction product. Intermediate species (HO2−) can react further in the series type ORR mechanism at the decorating CoxOy/Co surface nanoparticle phase. The HO2− species can undergo either further electrochemical reduction to form OH− species or chemical disprotonation to form OH− species and molecular O2.

Platinum electrocatalysts supported on high surface area and Vulcan carbon blacks (Pt/HSC, Pt/V) were characterized in rotating disk electrode (RDE) setups for electrochemical area (ECA) and oxygen reduction reaction (ORR) area specific activity (SA) and mass specific activity (MA) at 0.9 V. Films fabricated using several ink formulations and film-drying techniques were characterized for a statistically significant number of independent samples. The highest quality Pt/HSC films exhibited MA 870 ± 91 mA/mgPt and SA 864 ± 56 μA/cm2Pt while Pt/V had MA 706 ± 42 mA/mgPt and SA 1120 ± 70 μA/cm2Pt when measured in 0.1 M HClO4, 20 mV/s, 100 kPa O2 and 23 ± 2°C. An enhancement factor of 2.8 in the measured SA was observable on eliminating Nafion ionomer and employing extremely thin, uniform films (∼4.5 μg/cm2Pt) of Pt/HSC. The ECA for Pt/HSC (99 ± 7 m2/gPt) and Pt/V (65 ± 5 m2/gPt) were statistically invariant and insensitive to film uniformity/thickness/fabrication technique; accordingly, enhancements in MA are wholly attributable to increases in SA. Impedance measurements coupled with scanning electron microscopy were used to de-convolute the losses within the catalyst layer and ascribed to the catalyst layer resistance, oxygen diffusion, and sulfonate anion adsorption/blocking. The ramifications of these results for proton exchange membrane fuel cells have also been examined.

Iridium–nickel (Ir–Ni) and iridium–cobalt (Ir–Co) nanowires have been synthesized by galvanic displacement and studied for their potential to increase the performance and durability of electrolysis systems. Performances of Ir–Ni and Ir–Co nanowires for the oxygen evolution reaction (OER) have been measured in rotating disk electrode half-cells and single-cell electrolyzers and compared with commercial baselines and literature references. The nanowire catalysts showed improved mass activity, by more than an order of magnitude compared with commercial Ir nanoparticles in half-cell tests. The nanowire catalysts also showed greatly improved durability, when acid-leached to remove excess Ni and Co. Both Ni and Co templates were found to have similarly positive impacts, although specific differences between the two systems are revealed. In single-cell electrolysis testing, nanowires exceeded the performance of Ir nanoparticles by 4–5 times, suggesting that significant reductions in catalyst loading are possible without compromising performance.

Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) have demonstrated great potential in heavy-duty vehicles (HDVs) due to their unique scalability and smaller additional weight penalty for a longer driving range. To enable the deployment of HDVs, an increased durability of platinum (Pt), which is the catalyst used in PEFCs, and the understanding of degradation mechanism are the top priorities. In this study, different configurations of cracks were introduced into the microporous layer (MPL) of membrane electrode assemblies (MEAs) and accelerated stress tests (ASTs) simulating HDV lifetime were performed. The electrochemical characterization of the MEAs with and without MPL cracks demonstrated similar durability trends. Cracks in the MPLs do not significantly improve the performance of the cell. However, identical location μ-X-ray fluorescence (μ-XRF) spectroscopy performed on the MEAs showed significant in-plane movement of Pt over the course of AST, especially for the MEAs with vertical cracks in the MPLs. It is indicative that cracks in the MPLs can have a negative impact on the PEFCs' durability because of them being filled with water promoting Pt transport. The modeling study showed water distribution and oxygen transport through the MPL with cracks.

Ordered mesoporous carbon (OMC) scaffolds were covalently modified with primary amine groups by means of oxidation-coupling, yielding C–O–C bonds, or organometallic activation-coupling, yielding C–C bonds. The aminated OMCs were stressed by immersion in either 1 M hydrochloric acid or 1 M sodium hydroxide solutions at room temperature for 6 h and characterized by nitrogen sorption, electron microscopy, low-angle X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, and the 4-nitrobenzaldehyde assay. Results demonstrate that aminated surfaces of OMC by butyllithium grafting are stable toward both 1 M HCl and 1 M NaOH, whereas the oxidation-aminated OMC surfaces can withstand 1 M NaOH only. This study illustrates the importance of chemical testing to supplant chemical intuition when tailoring carbon surfaces for applications where strong acids or bases are employed. This is especially emphasized for carbonaceous materials because of the surface heterogeneity among different carbon allotropes.

Abstract The current goals for implementing the hydrogen economy have highlighted a need to further optimize water‐splitting technologies for clean hydrogen production. Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is a leading technology, but further optimizations of anode materials including the porous transport layer (PTL) and the adjacent catalyst layer (CL) are required to increase overall cell performance and reduce cost. This literature review describes advances in PTL development and characterization, highlighting early PTL characterization work and most common methods including capillary flow porometry and mercury intrusion porometry, optical imaging, neutron and x‐ray radiography, and x‐ray computed tomography. The article also discusses PTL protective coatings and their characterizations, focusing on platinum group metal (PGM)‐based coatings, alternative non‐PGM‐based coatings, post‐treated PTLs, and investigations into thin PGM‐based coatings. Furthermore, it highlights the integration of the PTL and the adjacent CL along with associated characterization challenges. Lastly, this review discusses future developments in the characterization needed to improve PEMWE's performance and long‐term durability are discussed.

The transition of the United States energy infrastructure towards hydrogen energy involves the optimization of proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWEs) for reliable hydrogen generation. PEMWE device typically consists of titanium porous transport layer (PTL) and an iridium-based anode catalyst layer. Several directions are being pursued to improve performance and to reduce the costs. To mitigate naturally occurring titanium passivation, protective coatings, typically platinum or other platinum-group metals (PGMs) are commonly applied to the PTLs. The drive to decrease the cost and the use of scarce materials has led to the development of catalyst layers with lower catalyst loadings. Reducing fabrication time and cost as well as increasing efficiency of the anode has led to the investigation of direct application of the iridium-based catalyst onto the Pt-coated Ti PTL. This motivated our investigation of porous-transport electrodes (PTEs) prepared with a variety of deposition methods, using different ink formulations, and targeting different catalyst loadings. There is need to develop a characterization approach that can be used to assess and compare quality of coatings across large parameter space or to monitor quality during production. Several sets of PTEs samples consisting of a titanium porous layer, platinum protective coating and iridium-based catalyst layer were prepared using a wide range of catalyst layer coating methods and parameters, including spray coating, gravure, airbrush and electrodeposition. All samples were characterized using scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) to analyze the elemental composition and assess the distribution of elements of interest (Ti, Pt, and Ir). First, the atomic% of each element was used to calculate elemental ratios for quantitative assessment of the amount of deposited catalyst. However, it is crucial to recognize the limitations of relying solely on this information for assessing catalyst coating since it doesn’t account for heterogeneity of the coatings. Although elemental maps provide valuable insights into spatial distribution, they alone do not offer a complete picture. To better understand the catalyst coating distribution, each individual EDS elemental map was used to calculate the surface area, which served as a measure of PTL area covered by the catalyst. Further, surface area ratios (Pt/Ir) were calculated to determine variations in surface coverage. This poster will highlight differences between fabricated samples and will demonstrate that together, at% and surface area ratio values allow for a comprehensive quantitative assessment of the composition and distribution of catalyst surfaces that were produced through a wide range of fabrication variables. The implementation of proper characterization of these PTEs can help aid future decisions on which parameters should be used moving forward. This approach can also be used for quality control, enabling quick screening of commercially produced samples.