Platinum group metal (PGM)-free catalysts for oxygen reduction reaction are essential for affordable fuel cells.

Abstract Noble-metal alloys are widely used as heterogeneous catalysts. However, due to the existence of scaling properties of adsorption energies on transition metal surfaces, the enhancement of catalytic activity is frequently accompanied by side reactions leading to a reduction in selectivity for the target product. Herein, we describe an approach to breaking the scaling relationship for propane dehydrogenation, an industrially important reaction, by assembling single atom alloys (SAAs), to achieve simultaneous enhancement of propylene selectivity and propane conversion. We synthesize γ-alumina-supported platinum/copper SAA catalysts by incipient wetness co-impregnation method with a high copper to platinum ratio. Single platinum atoms dispersed on copper nanoparticles dramatically enhance the desorption of surface-bounded propylene and prohibit its further dehydrogenation, resulting in high propylene selectivity (~90%). Unlike previous reported SAA applications at low temperatures (<400 °C), Pt/Cu SAA shows excellent stability of more than 120 h of operation under atmospheric pressure at 520 °C.

The development of catalysts free of platinum-group metals and with both a high activity and durability for the oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cells is a grand challenge. Here we report an atomically dispersed Co and N co-doped carbon (Co–N–C) catalyst with a high catalytic oxygen reduction reaction activity comparable to that of a similarly synthesized Fe–N–C catalyst but with a four-time enhanced durability. The Co–N–C catalyst achieved a current density of 0.022 A cm−2 at 0.9 ViR-free (internal resistance-compensated voltage) and peak power density of 0.64 W cm−2 in 1.0 bar H2/O2 fuel cells, higher than that of non-iron platinum-group-metal-free catalysts reported in the literature. Importantly, we identified two main degradation mechanisms for metal (M)–N–C catalysts: catalyst oxidation by radicals and active-site demetallation. The enhanced durability of Co–N–C relative to Fe–N–C is attributed to the lower activity of Co ions for Fenton reactions that produce radicals from the main oxygen reduction reaction by-product, H2O2, and the significantly enhanced resistance to demetallation of Co–N–C. Platinum-group-metal-free, non-iron catalysts are highly desirable for the oxygen reduction reaction at proton exchange membrane (PEM) fuel cell cathodes, as they avoid the detrimental Fenton reactions. Now, a cobalt and nitrogen co-doped carbon catalyst with atomically dispersed porphyrin-like CoN4C12 sites is reported with an improved activity and durability in PEM fuel cell conditions.

Au catalysts with different metallic particle sizes and supported on silica, alumina, titania, zirconia, ceria, and niobia were prepared, and the reduced catalysts were characterized by EXAFS spectroscopy. As the AuAu coordination number decreased, the interatomic bond length decreased. The AuAu bond length contraction appears to be independent of the support type. A correlation between the dispersion of Pt catalysts determined by hydrogen chemisorption and the EXAFS PtPt coordination number was established and used to determine the dispersion of fully reduced Au catalysts. In addition, the Au particle size was estimated using a literature correlation of the EXAFS coordination number. For particles larger than about 40 Å, there was little change in the metallic bond length, whereas in catalysts with gold particles smaller than 30 Å, the AuAu distance decreased with decreasing particle size, with a maximum contraction of about 0.15 Å. Decreasing particle size also brought a decrease in the intensity of the white line of the XANES spectrum. Both the decrease in bond distance and white line intensity were consistent with an increase in the d-electron density of Au atoms in very small particles. Au particles smaller than about 30 Å were also reactive to air, leading to oxidation of up to 15% of the atoms of the gold particles, depending on the size; larger particles were not oxidized. These oxidized Au atoms in small particles are suggested to be active for CO oxidation.

Dissolution and migration of manganese from cathode lead to severe capacity fading of lithium manganate–carbon cells. Overcoming this major problem requires a better understanding of the mechanisms of manganese dissolution, migration and deposition. Here we apply a variety of advanced analytical methods to study lithium manganate cathodes that are cycled with different anodes. We show that the oxidation state of manganese deposited on the anodes is +2, which differs from the results reported earlier. Our results also indicate that a metathesis reaction between Mn(II) and some species on the solid–electrolyte interphase takes place during the deposition of Mn(II) on the anodes, rather than a reduction reaction that leads to the formation of metallic Mn, as speculated in earlier studies. The concentration of Mn deposited on the anode gradually increases with cycles; this trend is well correlated with the anodes rising impedance and capacity fading of the cell. Lithium manganate is an important cathode material for lithium-ion batteries; however, its capacity-fading mechanism is unclear. Zhan et al. identify the oxidation state of manganese deposited on the anode, which leads to an irreversible rising in anode resistance and consequently a shortened battery life.

This paper summarizes a XANES, XPS, XRD, and Mössbauer study of an oxygen reduction reaction (ORR) catalyst obtained via a heat treatment of polyaniline, iron, and carbon black. The catalyst was characterized at several critical synthesis stages and following heat treatment at various temperatures. The effect of sulfur during the synthesis was also investigated. XANES linear combination fitting (XANES-LCF) was used to determine the speciation of iron using 16 iron standards. The highest ORR activity was measured with a catalyst heat-treated at 900 °C, with the largest Fe–Nx content, as determined by the XANES-LCF, also characterized by the highest microporosity. An absence or a reduction in the amount of a sulfur-based oxidant in the aniline polymerization was found to lead to an increase in the amount of iron carbide formed during the heat treatment and a decrease in the number of Fe–N4 centers, thus attesting to an indirect beneficial role of sulfur in the catalyst synthesis. Using principal component analysis (PCA), a good correlation was found between the ORR activity and the presence of Fe–Nx structures.

The water–gas shift (WGS) reaction is an industrially important source of pure hydrogen (H2) at the expense of carbon monoxide and water1,2. This reaction is of interest for fuel-cell applications, but requires WGS catalysts that are durable and highly active at low temperatures3. Here we demonstrate that the structure (Pt1–Ptn)/α-MoC, where isolated platinum atoms (Pt1) and subnanometre platinum clusters (Ptn) are stabilized on α-molybdenum carbide (α-MoC), catalyses the WGS reaction even at 313 kelvin, with a hydrogen-production pathway involving direct carbon monoxide dissociation identified. We find that it is critical to crowd the α-MoC surface with Pt1 and Ptn species, which prevents oxidation of the support that would cause catalyst deactivation, as seen with gold/α-MoC (ref. 4), and gives our system high stability and a high metal-normalized turnover number of 4,300,000 moles of hydrogen per mole of platinum. We anticipate that the strategy demonstrated here will be pivotal for the design of highly active and stable catalysts for effective activation of important molecules such as water and carbon monoxide for energy production. A stable, low-temperature water–gas shift catalyst is achieved by crowding platinum atoms and clusters on α-molybdenum carbide; the crowding protects the support from oxidation that would cause catalyst deactivation.

TPR-XANES/EXAFS carried out using a novel multi-sample holder provided key information for verifying the nature of the chemical transformations occurring during cobalt Fischer–Tropsch synthesis catalyst activation in hydrogen. In the past, assumptions had to be made regarding the nature of the cobalt species present along the trajectory of a standard TPR experiment. The new technique directly provided insight into (a) the nature of the reduction process of cobalt oxide species and (b) the resulting cobalt crystallite size, as a function of the strength of the catalyst support interaction with the cobalt oxide species. A two-step reduction process involving Co3O4 to CoO and CoO to Co0 transformations over standard calcined catalysts was observed and quantified over all catalysts exhibiting both weak interactions (e.g., Co/SiO2) and strong interactions (e.g., Co/Al2O3) with the support. Noble metal promoter (e.g., Pt) addition strongly improved the reducibility of cobalt oxide species, most likely via a H2 dissociation and spillover mechanism. Increasing cobalt loading, on the other hand, led to a measurable, but lesser, improvement on reducibility, due to the larger resulting particle size that resulted in less surface contact with the support. Higher reduction temperatures were needed to effectively reduce cobalt oxide particles deposited on strongly interacting surfaces in comparison with unsupported Co3O4 or only weakly interacting supported cobalt catalyst. Nevertheless, despite lower extents of reduction, the smaller resulting Co particles on the more strongly interacting catalysts generally led to higher Co0 active site densities. The addition of the noble metal promoter to strongly interacting supported catalyst significantly decreased the temperature required to reduce the cobalt oxides to Co0 particles; this allows one to take advantage of the higher Co0 surface areas arising from the combination of a smaller average Co0 particle size and a higher extent of reduction.

Discovery of earth-abundant electrocatalysts to replace iridium for the oxygen evolution reaction (OER) in a proton exchange membrane water electrolyzer (PEMWE) represents a critical step in reducing the cost for green hydrogen production. We report a nanofibrous cobalt spinel catalyst codoped with lanthanum (La) and manganese (Mn) prepared from a zeolitic imidazolate framework embedded in electrospun polymer fiber. The catalyst demonstrated a low overpotential of 353 millivolts at 10 milliamperes per square centimeter and a low degradation for OER over 360 hours in acidic electrolyte. A PEMWE containing this catalyst at the anode demonstrated a current density of 2000 milliamperes per square centimeter at 2.47 volts (Nafion 115 membrane) or 4000 milliamperes per square centimeter at 3.00 volts (Nafion 212 membrane) and low degradation in an accelerated stress test.