Study of the stability of cathode catalysts in electrochemical cell

O objetivo do presente trabalho foi avaliar a estabilidade de eletrocatalisadores de Pt/C e ligas binárias de Pt-Co/C e Pt-Ni/C contendo 20% em massa de metal sobre carbono frente à reação de redução de oxigênio em células eletroquímicas. O trabalho experimental desenvolvido compreende várias etapas como preparação de catalisadores, tratamento térmico e preparação de eletrodos. O catalisador foi preparado pela redução de precursores com borohidreto de sódio, e suportado em carbono de alta área superficial (Vulcan XC-72, Cabot, 240m2g-1). O eletrodo da célula é um eletrodo de difusão de gás (EDG) de alta área superficial. Os catalisadores foram tratados termicamente em atmosfera de H2 a 550°C por uma hora. Os testes de estabilidade foram 30h de cronoamperometria ou ciclagem de potencial totalizando 1000 ciclos. Absorção Atômica, DRX (difração de raios-x) e EDX (energia dispersiva de raios-x) foram feitos antes e após os experimentos. Em geral observou-se que os catalisadores de Pt-Co/C e Pt-Ni/C apresentaram maior atividade para a RRO comparados a Pt/C, mas em contrapartida estes materiais sofrem corrosão e após algumas horas de operação há dissolução de metal e a atividade decresce muito. Os testes de cronoamperometria revelaram maior estabilidade de corrente para os materiais bimetálicos, o que não ocorre na ciclagem. Pt/C destaca-se após a ciclagem de potencial apresentando maior atividade comparado aos experimentos iniciais. A perda de atividade das ligas devese a dissolução do metal menos nobre diminuindo a área ativa e favorecendo a formação de aglomerados de Pt/C na superfície. Desta forma Pt/C ganha destaque após a dissolução de Co e Ni que inicialmente apresentaram bons resultados. Com relação aos materiais tratados termicamente o tamanho de cristalito para todos aumenta, decrescendo muito a atividade catalítica, mas em contrapartida torna-os mais estáveis em relação a perdas por dissolução dos metais.The aim of the present work was to evaluate the stability of Pt/C and bi-metallic Pt- Co/C and Pt-Ni/C electrocatalysts, containing 20 mass % of metal on carbon, for the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. The experimental work encompassed several steps such as catalyst syntheses, heat treatments, and electrode preparation. The catalysts were synthesized by reducing precursors with sodium borohydride on high surface area carbon (Vulcan XC-72, Cabot, 240 m2g-1). The working electrode is a high surface area gas diffusion electrode (GDE). The catalysts were heat treated in a hydrogen atmosphere for 1 hour at 550oC. The stability tests performed were 30h of cronoamperometry and potential cycling up to 1000 cycles. The catalysts were characterized by atomic absorption, x-ray diffraction (XRD), and energy dispersive x-ray spectrometry (EDX), performed before and after the electrochemical tests. The Pt-Co/C and Pt-Ni/C catalysts presented higher activity for the ORR when compared with that of the Pt/C catalyst. Conversely, these bi-metallic catalysts underwent a corrosion process, resulting in metal dissolution and activity decrease after a few hours of operation. The cronoamperometry tests revealed higher current stability for the bi-metallic catalysts, which was not the case during cycling. Pt/C stands out after potential cycling showing greater activity in initial experiments. The decrease of activity observed for the bi-metallic catalysts was ascribed to the dissolution of the less noble metal, decreasing the active area and favoring the formation of Pt/C agglomerates on the surface. Thus, Pt/C presents better performance than the bi-metallic catalysts after the dissolution of Co and Ni. Concerning the heat treated materials, an increase of the crystallite size was observed for all the catalysts, resulting in a large drop of the catalytic activity but, on the other hand, an increase of the stability of the bi-metallic catalysts against metal dissolution