Study of Pt, Mo and W based electrocatalysts as CO tolerant anodes in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)

Elevada tolerância ao CO e alta estabilidade são necessário para o eletrocatalisador anódico de células a combustível de membrana protônica (PEMFC) para o melhoramento do desempenho do sistema operando com combustível reformado. Neste trabalho eletrocatalisadores suportados em carbono e carbetos (carbetos de molibdênio e tungstênio) foram estudados para a reação de oxidação de hidrogênio (ROH), a tolerância ao CO e a estabilidade no ânodo de PEMFC. Os materiais investigados incluem: PtMo/C, PtMo/C tratado-termicamente, Pt/Mo2C/C, PtMo/Mo2C/C, PtW/C, Pt/WC/C e Pt/C. As diferenças na morfologia dos eletrocatalisadores foram caracterizadas por redução com temperatura programada (TPR), difração de raios-x (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (MET), energia dispersiva de raios-x (EDX), espectroscopia de absorção de raios-x (XAS), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de dispersão de comprimento de onda (WDS). As características e as atividades eletroquímicas dos electrocatalisadores foram avaliadas para ROH e tolerância ao CO por medidas de curvas de polarização em célula unitária e voltametria cíclica, sob a forma de elétrodos de difusão de gás. Espectrometria de massa (EMS) \"on-line\" e experimentos de stripping de CO foram realizados para avaliar o mecanismo de tolerância ao CO dos eletrocatalisadores. Voltametria cíclica conduzida até 5000 ciclos voltamétricos foi realizada para avaliar a estabilidade dos eletrocatalisadores. Tanto o eletrocatalisador de PtMo suportado em carbono e tratado a 600ºC, com tamanho médio de cristalito de 16,7 nm, como o eletrocatalisador de Pt suportado em carbeto de molibdênio mostraram atividade mais elevada para a oxidação de hidrogênio na presença de 100 ppm de CO e uma estabilidade melhorada, em comparação com os catalisadores de PtMo suportado em carbono e PtMo suportado em carbeto de molibdênio. Semelhantamente, melhor tolerância ao CO e maior estabilidade foram mostradas por Pt suportado em carbeto de tungstênio, como comparado com electrocatalisador de PtW suportado em carbono. Os resultados de voltametria cíclica e WDS mostraram que ocorre uma dissolução parcial de Mo e W e a sua migração/difusão do ânodo para o cátodo durante o período de ciclagem, o que é a maior causa das perdas em desempenho destes eletrocatalisadores. Os resultados mostraram que a atividade catalítica e a estabilidade podem ser melhoradas com o tratamento térmico, a despeito de um aumento do tamanho das partículas do catalisador, ou pela formação de carbetos nos suportes dos eletrocatalisadores.Enhanced CO tolerance and stability of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) anode electrocatalysts is necessary for the improvement in the performance of PEM fuel cell system operating with reformate fuel. In this work carbon and carbides (molybdenum and tungsten carbides) supported electrocatalysts have been studied for the activity of hydrogen oxidation reaction (HOR), CO tolerance and stability in the anode of proton exchange membrane fuel cell. The materials investigated include: PtMo/C, PtMo/C heat-treated, Pt/Mo2C/C, PtMo/Mo2C/C, PtW/C, Pt/WC/C and Pt/C. Differences in electrocatalysts morphology were characterized by temperature programmed reduction (TPR), x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), x-ray absorption spectroscopy (XAS), scanning electron microscopy (SEM) and wavelength dispersive spectroscopy (WDS). The electrochemical characteristics and activity of electrocatalysts were evaluated for the HOR and CO tolerance by single cell polarization measurements and cyclic voltammetry in the form of gas diffusion electrodes. Online mass spectrometry (OLMS) and CO stripping experiments were performed to evaluate the CO tolerance mechanism of the electrocatalysts. Cyclic voltammetry up to 5000 potential cycles was conducted to evaluate the electrocatalyst stability. It was observed that the carbon supported PtMo heat-treated at 600 °C with average crystallite size of 16.7 nm and Pt supported on Mo2C/C showed an enhanced stability and a good hydrogen electrooxidation activity in the presence of 100 ppm CO, as compared to as prepared carbon supported PtMo and molybdenum carbide supported PtMo electrocatalysts. Similarly, a better CO tolerance and improved stability was shown by tungsten carbide supported Pt electrocatalyst, as compared to carbon supported PtW electrocatalyst. Cyclic voltammetry and wavelength dispersive spectroscopy results showed that a partial dissolution of Mo and W and their migration/duffusion from the anode toward cathode take place during the cycling process, which is the major cause of performance losses of these electrocatalysts. On the basis of polarization measurements and cyclic voltammograms of both anodes and cathodes, it was concluded that the stability of these electrocatalysts may be improved either by heat-treatment or by the formation of carbides in the catalyst support