Temperature and concentration effects of CO and CO2 on the electrocatalysis of hydrogen oxidation on Pt and Mo based electrodes

Um dos grandes desafios a ser vencido para a utilização em larga escala das células a combustível de eletrólito polimérico alimentada com H2 obtido por reforma é a contaminação da superfície do eletrocatalisador de Pt, usualmente utilizado no ânodo,pelos gases CO e CO2 presentes no combustível. Neste trabalho é apresentado o estudo dos mecanismos de tolerância de materiais formados por Pt e Mo (Pt/C, Pt3Mo2/C e Pt1Mo1/C) aos contaminadores CO e CO2 e a influência da temperatura nesses processos. Os estudos foram realizados por meio de curvas de polarização com medidas de espectrometria de massas (EM) on line, experimentos de EM em circuito aberto e voltametria linear de remoção de CO adsorvido no catalisador em diferentes temperaturas. Para os catalisadores Pt/C e Pt3 Mo2 /C os resultados mostraram um aumento em 10 vezes na tolerância ao CO quando a temperatura de operação da célula é elevada em 20°C (de 85°C a 105°C) e uma tolerância significativamente superior do Pt3Mo2/C em relação à Pt/C. A ocorrência do mecanismo bifuncional, do mecanismo Eley-Rideal e da reação de Troca Gás-Água (do inglês Water Gas Shift - WGS) foi confirmada apenas para PtMo/C; porém, a diminuição do sobrepotencial de oxidação do CO com o aumento da temperatura foi notada para ambos os catalisadores. A reação de WGS é acelerada com a elevação da temperatura, confirmando que a cinética é a determinante da reação.Também foi realizada a quantificação do cruzamento do O2 do cátodo para o ânodo, sua participação na eliminação do CO e a influência da temperatura nesse processo. Observou-se que a oxidação parcial do CO pelo O2 efetivamente ocorre, aumenta com a temperatura, porém pouco contribui no processo global de tolerância dos catalisadores Pt/C e PtMo/C. Em relação ao contaminante CO3, confirmou-se a ocorrência da reação RWGS (WGS reversa) para ambos os catalisadores, assim como a reação RWGS eletroquímica. Em termos de desempenho de célula,excelentes resultados foram obtidos com a mesma operando a 105°C - para Pt3Mo2/C e utilizando uma mistura de H2/CO(75 ppm)/CO2(25%), observando-se sobrepotencial anódico de apenas 40 mV em relação ao hidrogênio puro em densidade de corrente de 1 Acm-2.One of the biggest challenges to be overcome for the widespread use of polymer electrolye fuel cellsfueled with H2 obtained by reform is the surface contamination of the Pt electrocatalyst, usually used in the anode, by CO and CO2 present in the fuel stream. This work presents a study of the tolerance mechanisms of CO and CO2 contaminants on electrode materials formed by Pt and Mo (Pt /C, Pt3Mo2 /C, and Pt1Mo1/C) and the influence of temperature on these processes. The studies were performed using polarization curves with on line mass spectrometry measurements (MS), MS experiments at open circuit, and linear sweep CO stripping at different temperatures. For Pt/C and Pt3Mo2/C catalysts, results showed a 10 fold increase in the CO tolerance when the fuel cell operating temperature is raised by 20°C (85°C to 105°C) and a significantly higher tolerance of Pt3Mo2/C compared to Pt/C. The occurrence of the so called bifunctional mechanism, Eley-Rideal mecanism and the Water Gas Shift (WGS) reaction was confirmed only for PtMo/C, but the decrease in the CO oxidation overpotential with the increase of temperature was noted for both catalysts. Also a quantification of O2 crossover from the cathode to the anode was carried out, together with an evaluation of its participation in the elimination of CO and the characterization of influence of temperature in this process. It was observed that the partial oxidation of CO by O2 does occur, increases with temperature, but it has little effect in the overall tolerance of Pt/C and PtMo/Ccatalysts. The WGS reaction is accelerated by increasing the temperature, confirming that the kinetics of the reaction is rate determinant. Regarding CO2 contaminant, the occurrence of the RWGS reaction (reverse WGS) and the electrochemical RWGS were confirmed for both catalysts. In terms of cell performance, excellent results were obtained with the cell operating at 105°C for Pt3Mo2/C and using a mixture of H2/CO (75 ppm)/CO2 (25%), observing an anodic overpotential of only 40 mVcompared to pure hydrogen was observed at a current density of 1 Acm-2