Cette étude a été dirigée par le Dr Yang Hu (Institut du Département de conversion et de stockage de l'énergie, Université technique du Danemark) et le Dr Qing-Feng Li (Institut du Département de la conversion et du stockage de l'énergie, Université technique du Danemark).

Les alliages Pt-terres rares (RE) sont une famille de catalyseurs aux performances exceptionnelles pour la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) en milieu acide. Pour la surface étendue du Pt₅ polycristallin en vrac Électrodes RE, les activités spécifiques signalées se situent dans la plage de 7 à 11 mA cm ⁻² à 0,9 V (vs. RHE) testé dans 0,1 M HClO₄ solution, qui est 3,5 à 5,5 fois supérieure à celle de la surface de Pt polycristallin.

Deux alliages Pt-RE sous forme de nanoparticules de tailles uniformes, à savoir Pt_x Y et Pt_x Gd (x indique une stoechiométrie variable ou une structure d'alliage mal définie), ont été préparés à partir de sources en grappes en utilisant une technique d'agrégation de gaz. Leurs activités spécifiques approchaient 14 mA cm ⁻² , et les activités de masse ont atteint 4 A mgPt ⁻¹ , qui figurent parmi les valeurs les plus élevées rapportées.

Après le stress test accéléré de 10 000 cycles de potentiel entre 0,6 et 1,0 V en O₂ -saturé 0,1 M HClO₄ , le Pt_x Les particules d'alliage de Gd ont conservé l'activité massique d'environ 2,8 mA cm_Pt ⁻¹ , toujours 2,8 fois plus actif que son équivalent Pt pur.

Cependant, la traduction de ces résultats prometteurs d'électrodes en vrac et de particules modèles en un catalyseur du monde réel n'a pas encore été réalisée, ce qui a attiré des efforts de recherche approfondis au cours de la dernière décennie. Ils visent à synthétiser des catalyseurs en alliage Pt-RE à une échelle suffisamment large et à vérifier leurs excellentes performances dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) et ont fait des progrès significatifs.

Récemment, le groupe de Hu a développé une approche chimique universelle et évolutive pour synthétiser des catalyseurs en alliage Pt-RE supporté par du carbone. Le processus de synthèse clé consiste à chauffer un mélange de précurseurs à l'état solide dans une atmosphère réductrice. Une série de catalyseurs en alliage Pt-RE, tels que Pt₂ Gd, Pt₃ Y et Pt₅ La, ont été synthétisés à l'aide de la méthode. Une échelle de production allant jusqu'à 10 g par lot a été atteinte.

La taille des particules d'un alliage Pt-RE affecte de manière significative à la fois leur activité et leur stabilité vis-à-vis de l'ORR. Etudes antérieures sur le modèle Pt_x Y et Pt_x Les particules de Gd préparées à partir de la source de cluster ont indiqué que les tailles de particules optimales se situaient dans la plage d'environ 6 à 9 nm, plus grande que celle (c'est-à-dire 3 nm) pour les nanoparticules de Pt pur. Les différentes tailles optimales proviennent des propriétés structurelles et chimiques uniques des particules d'alliage Pt-RE.

Les ions de métaux de terres rares ont des potentiels de réduction standard très faibles, par exemple -2,372 V pour Y/Y ³⁺ . Une fois en contact avec un milieu acide, les atomes de RE sont susceptibles d'être lessivés de la région de surface des particules d'alliage pour former une surcouche de Pt, qui est tendue en compression en raison de la plus petite distance Pt-Pt dans le noyau de la particule d'alliage.

Cet effet de contrainte provoque l'énergie de liaison légèrement affaiblie de HO * sur la couche supérieure de Pt et augmente ainsi son activité vers l'ORR. L'ampleur de cet effet de déformation dépend fortement de la taille du noyau d'alliage. Plus la taille des particules est petite, plus l'effet est faible. En outre, leurs études précédentes ont montré que les particules d'alliage Pt-RE inférieures à 3 nm perdaient presque tous les atomes RE après le traitement dans une solution acide.

Ainsi, pour obtenir à la fois la bonne activité catalytique et la stabilité, les particules d'alliage Pt-RE doivent être suffisamment grandes, de manière optimale au-dessus de 6 nm. Cependant, les grosses particules ont inévitablement de petites surfaces spécifiques et donc une faible utilisation des atomes de Pt. En conséquence, une plage de taille optimale de 6 à 9 nm a été suggérée pour les particules d'alliage Pt-RE pour l'ORR.

Dans ce travail, Hu et ses collègues tentent de synthétiser des catalyseurs en alliage Pt-RE avec les structures idéales suggérées, c'est-à-dire une phase intermétallique Pt5RE avec une taille de particule de 6 à 9 nm. Partie₅ Ce a été choisi comme phase d'alliage cible, car il s'agit de l'une des structures d'alliage Pt-RE les plus stables signalées pour l'ORR, et Ce est l'un des métaux RE les plus abondants et les moins chers.

La stabilité et le coût sont les deux facteurs cruciaux dans l'application industrielle du catalyseur dans les piles à combustible PEM. Ils ont d'abord essayé différentes conditions de synthèse et ont réussi à préparer une série de catalyseurs avec un seul Pt₅ Phase CE. Des efforts ont ensuite été faits pour adapter les tailles du Pt₅ Les particules de Ce, qui se sont avérées être le défi majeur de cette étude.

Pour accomplir cette tâche, ils ont étudié le schéma de croissance du Pt₅ Particules de Ce pendant tout le processus de synthèse. Sur cette base, ils ont étudié l'effet de deux paramètres de synthèse sur le processus de croissance des particules. Sur la base de la compréhension obtenue, ils ont réussi à synthétiser un Pt₅ Échantillon Ce/C avec une taille moyenne de particule de 5,2 nm et un écart type de 1,3 nm, ce qui montre des performances ORR prometteuses.

La recherche a été publiée dans Advanced Sensor and Energy Materials . + Explorer plus loin

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