GP
Gioele Pagot
Author with expertise in Lithium-ion Battery Technology
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
6
(50% Open Access)
Cited by:
208
h-index:
19
/
i10-index:
36
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

(Invited) Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction and the Hydrogen Evolution Reaction Based on “Core-Shell”, “PGM-Free” Carbon Nitride Systems

Soufiane Boudjelida et al.Aug 9, 2024
The key electrochemical processes at the heart of the “hydrogen economy” involve: (i) the recombination of hydrogen and oxygen to form water in fuel cells (FCs); and (ii) the splitting of water to yield hydrogen and oxygen in water electrolyzers (ELs). Depending on the particular device taken under consideration, such processes typically occur either in a highly acidic environment ( e.g. , in proton-exchange membrane fuel cells, PEMFCs, and in proton-exchange membrane electrolyzers, PEMELs) or in strongly alkaline conditions ( e.g. , in anion-exchange membrane fuel cells, AEMFCs; and in anion-exchange membrane electrolyzers, AEMELs). In both cases, such processes require suitable electrocatalysts (ECs) to minimize overpotentials and achieve a performance and durability level compatible with applications. State-of-the-art ECs for both FCs and ELs typically suffer from important drawbacks such as: (i) high overpotentials; (ii) a poor durability; and (iii) a high loading of strategic elements, with a particular reference to platinum-group metals (PGMs); correspondingly, significant concerns are raised due to potential supply bottlenecks. In this work, a new family of “PGM-free” ECs is proposed, especially targeted to promote the oxygen reduction reaction (ORR) and the hydrogen evolution reaction (HER) in either/both the acidic and the alkaline environment. The ECs are obtained by means of a multi-step synthetic process [1]. In the first step a precursor is prepared by coupling a carbon black support with a hybrid inorganic-organic macromolecular system consisting of an organic binder coordinating: (i) a first-row transition metal ( e.g. , Fe) meant to act as the “catalyst” ; and (ii) Sn, playing the role of “co-catalyst” . Subsequently the precursor undergoes a multi-step pyrolysis process followed by suitable chemical treatments meant to remove labile species and reaction byproducts, yielding the final EC. Optionally, the EC may be coupled with an additional aliquot of the hybrid-inorganic precursor. In this case, further pyrolysis/chemical treatment steps are carried out to obtain the final product. The final “PGM-free” ECs proposed herein exhibit a “core-shell” morphology. The carbon black “core” is covered by a carbon nitride “shell” stabilizing the active sites based on the “catalyst” and the “co-catalyst” into C- and N- “coordination nests” . The ECs undergo an extensive physicochemical characterization, meant to determine: (i) the chemical composition, both in the bulk and on the surface (adopting analytical techniques such as ICP-AES, CHNS microanalysis, EDX and NAP-XPS); (ii) the morphology (by means of UHR-SEM); (iii) the porosimetric features (by nitrogen and water physisorption studies); and (iv) the structure ( e.g. , through wide-angle X-ray diffraction). The kinetics and reaction mechanism of the proposed ECs in the ORR and HER are determined by advanced electroanalytical techniques, with a particular reference to cyclic voltammetry with the thin-film rotating ring-disk electrode (CV-TF-RRDE). The synthetic parameters are finally correlated with the results of the physicochemical and the electrochemical characterization, shedding light on the most promising avenues to guide the preparation of further ECs exhibiting improved performance and durability, suitable for implementation in next-generation FCs and ELs. References [1] V. Di Noto, E. Negro, B. V. Patil, F. Lorandi, S. Boudjelida, Y. H. Bang, K. Vezzù, G. Pagot, L. Crociani, A. Nale. ACS Catal. , 12 , 12291 – 12301 (2022). Acknowledgements This research has received funding from: (a) the project ‘Advanced Low-Platinum hierarchical Electrocatalysts for low-T fuel cells’ funded by EIT Raw Materials; and (b) the project PERMANENT financed in the framework of the Italian PNRR, M2C2, Investment Line 3.5.
0

Role of the Microstructure in the Li-Storage Performance of Spinel-Structured High-Entropy (Mn,Fe,Co,Ni,Zn) Oxide Nanofibers

Claudia Triolo et al.May 29, 2024
High-entropy oxides with spinel structure (SHEOs) are promising anode materials for next-generation lithium-ion batteries (LIBs). In this work, electrospun (Mn,Fe,Co,Ni,Zn) SHEO nanofibers produced under different conditions are evaluated as anode materials in LIBs and thoroughly characterised by a combination of analytical techniques. The variation of metal load (19.23 or 38.46 wt% relative to the polymer) in the precursor solution and of calcination conditions (700 °C/0.5 h, or 700 °C/2 h followed by 900 °C/2 h) affects the morphology, microstructure, crystalline phase, and surface composition of the pristine SHEO nanofibers and the resulting electrochemical performance, whereas mechanism of Li + storage does not substantially change. Causes of long-term (≥650 cycles) capacity fading are elucidated via ex situ synchrotron X-ray absorption spectroscopy. The results evidence that the larger amounts of Fe, Co, and Ni cations irreversibly reduced to the metallic form during cycling are responsible for faster capacity fading in nanofibers calcined under milder conditions. The microstructure of the active material plays a key role. Nanofibers composed by larger and better-crystallized grains, where a stable solid/electrolyte interphase forms, exhibit superior long-term stability (453 mAh g −1 after 550 cycles at 0.5 A g −1 ) and rate-capability (210 mAh g −1 at 2 A g −1 ).
0

Interplay Between Calcination Temperature and Alkaline Oxygen Evolution of Electrospun High‐Entropy (Cr1/5Mn1/5Fe1/5Co1/5Ni1/5)3O4 Nanofibers

Keti Vezzù et al.Nov 24, 2024
Abstract Spinel‐structured transition metal (TM) oxides have shown great potential as a sustainable alternative to platinum group metal‐based electrocatalysts. Among them, high‐entropy oxides (HEOs) with multiple TM‐cation sites are suitable for engineering octahedral redox‐active centers to enhance the catalyst reactivity. This paper reports on the preparation of electrospun (Cr 1/5 Mn 1/5 Fe 1/5 Co 1/5 Ni 1/5 ) 3 O 4 nanofibers (NFs) and their evaluation as electrocatalysts. Its main aim is to unveil the nanostructural features that play a key role in the alkaline oxygen evolution reaction. Differing calcination temperature (300−800 °C) and duration (2 or 4 h) leads to different morphology of the NFs, crystallinity of the oxide, density of defects, and cation distribution in the lattice, which reflect in different electrocatalytic behaviors. The best performance (overpotential and Tafel slope at 10 mA cm −2 : 325 mV and 40 mV dec −1 , respectively) pertains to the NFs calcined at 400 °C for 2 h. To gain a deeper understanding of their electrocatalytic properties, the pristine NFs are investigated by a combination of analytical techniques. In particular, broadband electric spectroscopy reveals that the mobility of oxygen vacancies in the best electrocatalyst is associated to very fast local dielectric relaxations of metal coordination octahedral geometries and experimentally demonstrates the key role of O‐deficient octahedra.