We describe the adaptation of the recently developed thin-film rotating disk electrode method and its application in a rotating ring disk configuration (RRDE) to the investigation of the oxygen reduction reaction (orr) on a supported catalyst powder (Pt/Vulcan XC 72 carbon). This allows the determination of kinetic data, such as reaction orders or apparent activation energies, for the orr directly without mathematical modeling. Collection experiments reveal a potential and rotation rate independent collection efficiency. RRDE measurements allow, for the first time, the direct determination of the fraction of peroxide production during oxygen reduction on supported catalysts. Finally, comparison of measurements in 0.5 M H2SO4 and 0.5 M HClO4, respectively, reveals a significant effect of (bi)sulfate adsorption on the orr activity. On the basis of the present results, predictions are made on the kinetic limit of the orr in polymer electrolyte fuel cells, in the absence of ohmic and mass transport resistances at 100% utilization.

A newly developed method is presented which allows the characterization of the electrocatalytic properties of highly dispersed electrocatalysts in a true rotating disk electrode (RDE) configuration by attaching the catalyst powder on a glossy carbon electrode via a thin Nafion film. Complete utilization and high reproducibility of both the electrode preparation and the catalyst loading could be shown via voltammetry and CO stripping voltammetry. Furthermore RDE measurements on the electro‐oxidation of hydrogen on Pt/Vulcan showed that the effect of diffusion through the Nation film can be avoided by proper electrode preparation. Therefore, the electrode kinetics for fuel cell relevant reactions under continuous flow conditions can be measured directly without mathematical modeling.

Activity, selectivity and stability of oxygen evolution catalysts for water electrolyzers: an interplay between composition, morphology, preparation and processing.

We describe a comparative study of the oxygen reduction reaction on two carbon-supported Pt-based alloy catalysts in aqueous acidic electrolyte at low temperature. Both alloys have the bulk compositions of 50 and 75 at. % Pt, with the alloying elements being Ni and Co. Comparison is made to a pure Pt catalyst on the same carbon support, Vulcan XC-72, having the same metal loading (20 wt %) and nominally the same particle size (4 ± 2 nm). High-resolution electron microscopy was used to determine the size and shape of the particles as well as the particle size distribution on all catalysts. Electrochemical measurements were performed using the thin-film rotating ring−disk electrode method in 0.1 M HClO4 at 20−60 °C. Hydrogen adsorption pseudocapacitance was used to determine the number of Pt surface atoms and to estimate the surface composition of the alloy catalysts. Kinetic analysis in comparison to pure Pt revealed a small activity enhancement (per Pt surface atom) of ca. 1.5 for the 25 at. % Ni and Co catalysts, and a more significant enhancement of a factor of 2−3 for the 50 at. % Co. The 50 at. % Ni catalyst was less active than the Pt standard and unstable at oxygen electrode potentials. Ring-current collection measurements for peroxide indicated no significant differences between the Pt−Co catalysts or the 25 at. % Ni catalyst and pure Pt, while the 50 at. % Ni catalyst had a higher peroxide yield. Together with the observed Tafel slopes and activation energies, it was concluded that the kinetic enhancement is contained in the preexponential factor of the conventional transition state theory rate expression. It is, however, not clear why the alloying with Ni or Co produces this change in the preexponential factor.

The oxygen reduction reaction (ORR) has been studied on polycrystalline Pt3Ni and Pt3Co alloys in acid electrolytes using the rotating ring disk electrode (RRDE) method. Preparation and characterization of alloy surfaces were performed in ultrahigh vacuum (UHV). Clearly defined surface composition was determined via low-energy ion-scattering (LEIS) spectroscopy. Polycrystalline bulk alloys of Pt3Ni and Pt3Co were prepared in UHV having two different surface compositions: one with 75% Pt and the other with 100% Pt. The latter we call a "Pt-skin" structure and is produced by an exchange of Pt and Co in the first two layers. The base voltammetry in 0.1 M HClO4 solution of the 75% Pt alloy surface indicated a decrease of Hupd pseudocapacitance (ca. 30−40 μC/cm2) consistent with the surface composition determined in UHV. With the exception of the "Pt-skin" surface on Pt3Ni, all the alloy electrodes exhibited stable i−E curves with repeated cycling between 0.05 and 1.0 V at all temperatures. Activities of Pt-alloys for the ORR were compared to the polycrystalline Pt in 0.5 M H2SO4 and 0.1 M HClO4 electrolytes in the temperature range of 293 < T < 333 K. It was found that the order of activity is dependent on the nature of anions of supporting electrolytes: in H2SO4 the activity increased in the order Pt3Ni > Pt3Co > Pt; in HClO4, however, the order of activities at 333 K was "Pt-skin" > Pt3Co > Pt3Ni > Pt. The catalytic enhancement was greater in 0.1 M HClO4 than in 0.5 M H2SO4, with the maximum enhancement observed for the "Pt-skin" on Pt3Co in 0.1 M HClO4 being 3−4 times that for pure Pt. Catalytic enhancement of the ORR on Pt3Ni and Pt3Co vs Pt was attributed to the inhibition of Pt−OHad formation on Pt sites surrounded by "oxide" covered Ni and Co atoms beyond 0.8 V. Kinetic analyses of RRDE data revealed that kinetic parameters for the ORR and the production of H2O2 on the Pt3Ni, Pt3Co, and "Pt-skin" alloys are the same as on pure Pt: reaction order, m = 1, two identical Tafel slopes in HClO4, and a single Tafel slope in H2SO4, apparent activation energy ≈ 21−25 kJ/mol. The fact that essentially the same kinetic parameters are assessed from the analysis of the ORR data on all three surfaces implies that the reaction mechanism on Pt3Ni and Pt3Co alloy surfaces is the same as one proposed for pure Pt, i.e., a "series" 4e- reduction pathway.

Fuel cell technology is currently shifting very fast from fundamental research to real development. In addition to other aspects, this transition is possible because of the important improvements achieved in the field of electrocatalysis in the past decade. This perspective will give a focused overview summarizing the most outstanding contributions in the last 10 years in terms of activity and durability of the catalyst materials for ethanol oxidation and oxygen reduction reaction, respectively. In addition, it provides an outlook about new catalyst support materials with improved performance/stability, advanced characterization techniques, and fundamental studies of reaction mechanisms and degradation processes. All the studies referred to in this perspective significantly contribute to reaching the technical targets for PEFC commercialization.

The oxygen reduction reaction (orr) has been studied on carbon supported multimetallic catalysts in aqueous acidic electrolyte. The bimetallic catalysts had the nominal compositions of 50 and 75 at.% Pt with the alloying elements being Ni and Co. A ternary catalyst consisted of Pt, Rh and Fe in the ratio of 1:0.3:0.7. Comparison is made to carbon supported Pt. The particle size distribution of the metallic phases was obtained by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). An estimation of the surface composition was obtained from the hydrogen adsorption charge and the particle size. Electrochemical measurements were performed using the thin-film rotating ring-disk electrode (RRDE) method in 0.1 M HClO4 at 20–60 °C. Kinetic analysis in comparison to pure Pt revealed an activity enhancement (per Pt surface atom) of a factor of 2 to 3 for the 50 at.% Co-catalyst. The 25 at.% Co(Ni) and the ternary catalyst revealed similar activity compared with pure Pt. The 50 at.% Ni catalyst was actually less active than the Pt standard and unstable at oxygen electrode potentials. Ring-current collection measurements for peroxide indicated no significant differences between the alloy catalysts and pure Pt with the exception of the 50 at.% Ni catalyst which had a higher peroxide yield. Comparison was also made to results obtained under equal experimental conditions on polycrystalline (pc) Pt3Ni and Pt3Co alloy electrodes. These bulk alloys were prepared in UHV to obtain a well defined surface composition of 75 at.% Pt and 25 at.% Co and Ni, respectively. A Pt(pc) electrode served for comparison. The bulk alloys also have an enhanced activity for the orr by about a factor of 2 versus the identically prepared Pt(pc) electrode.

We studied the oxygen reduction reaction on a typical carbon supported Pt fuel cell catalyst in the presence of different anions. Similarly to smooth polycrystalline and single crystal Pt electrodes, the oxygen reduction reaction (orr) activity decreases in the order ClO4−>HSO4−>Cl−, consistent with the increasing adsorption bond strength of the anions. The orr properties of Pt/Vulcan in the presence of adsorbed Cl− can be interpreted as a superposition of the individual orr properties of the Pt(111)–Clad and Pt(100)–Clad solid ∣ liquid interface, both with respect to kinetic limitations and to the formation of H2O2. This is in qualitative agreement with the assumed cubo-octahedral Pt particle shape. Although these results were obtained in liquid electrolyte, similar reduced activity and enhanced formation of H2O2 can be expected in a PEMFC, therefore indicating the necessity of chloride free electrode preparation schemes in order to avoid performance losses and/or corrosion/degradation effects.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVViewpointNEXTOxygen Evolution Reaction—The Enigma in Water ElectrolysisEmiliana Fabbri*Emiliana FabbriElectrochemistry Laboratory, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Switzerland*E-mail: [email protected]More by Emiliana Fabbrihttp://orcid.org/0000-0002-8627-6926 and Thomas J. Schmidt*Thomas J. SchmidtElectrochemistry Laboratory, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, SwitzerlandLaboratory of Physical Chemistry, ETH Zurich, 8093 Zurich, Switzerland*E-mail: [email protected]More by Thomas J. Schmidthttp://orcid.org/0000-0002-1636-367XCite this: ACS Catal. 2018, 8, 10, 9765–9774Publication Date (Web):September 12, 2018Publication History Received11 July 2018Published online12 September 2018Published inissue 5 October 2018https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.8b02712https://doi.org/10.1021/acscatal.8b02712editorialACS PublicationsCopyright © 2018 American Chemical Society. This publication is available under these Terms of Use. Request reuse permissions This publication is free to access through this site. Learn MoreArticle Views36157Altmetric-Citations365LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail PDF (5 MB) Get e-AlertscloseSUBJECTS:Catalysts,Lattices,Oxides,Oxygen,Radiology Get e-Alerts