Open Conference Systems, International Conference on Electrochemical Energy and Technology

Font Size: 
Fe-N/C-TsOH-600 as non-noble metal cathode catalyst for alkaline membrane fuel cells
Li Xu, Guoshun Pan, Chunli Zou, Xiaolei Shi

Last modified: 2014-10-07

Abstract


A non-noble metal electrocatalyst (Fe-N/C-TsOH), investigated as an  alternate cathode catalyst for alkaline fuel cells (AFCs), is  successfully synthesized using a simple thermal method. In  order to improve activity and stability, the catalysts were heat-treated at 600oC and 700oC. Both unpyrolyzed and pyrolyzed  catalysts were characterized by using electrochemical  measurements such as cyclic voltammetry (CV), rotating disk  electrode (RDE) with Tafel theory, as well as rotating ring disk  electrode (RRDE) to quantitatively obtain the oxygen reduction  reaction (ORR) kinetic constants and the reaction mechanisms.  The pyrolyzed catalyst showed significantly improved ORR  activity as well as different ORR mechanism, indicating that  heat-treatment is a necessary step for improving catalyst  activity. In addition, the optimal heat-treatment temperature  was found to be 600oC, and the overall ORR electron transfer  numbers were found to be about 3.899, suggesting that the  ORR catalyzed by Fe-N/C-TsOH-600 is a 4-electron transfer  process from O2 to H2O. Furthermore, TsOH plays key role in improving the ORR activity. In order to understand the heat-treatmen effect on catalyst, X-ray photoelectron spectroscopy  (XPS) and X-ray diffraction (XRD) were used to detect surface  structure changes. The results indicate that the pyrrolic-N  groups are the most active sites, a finding that is supported  by the correspondence between changes in pyrrolic-N content  and ORR activity that occur with changing temperature. And  FeS is an additional beneficial factor for the ORR in a sense.

Keywords


Non-noble metalcatalyst; Dual-dopant; Heat-treatment; Oxygen reduction reaction;Tafel

References


[1] Bashyam R, Zelenay P. Nature, 2006, 443, 63[2] Dillon R, Srinivasan S, Arico A S, Antonucci V. J. Power Sources, 2004, 127(1-2), 112[3] Qiao J L, Xu L, Ding L, Shi P H, Zhang L, Baker R, Zhang J J. Int. J. Electrochem. Sci., 2013, 8(1), 1189[4] Steele B C H, Heinzel A, Nature, 2001, 414, 345[5] Lalande G, Faubert G, Cote R, Guay D, Dodelet J P, Weng L T. J. Power Sources, 1996, 61(1-2), 227[6] Zagal J H, Griveau S, Ozoemena K I, Nyokong T, Bedioui F. J. Nanosci Nanotechno., 2009, 9(4), 2201[7] Xu Z, Li H, Cao G, Zhang Q, Li K, Zhao X. J. Mol. Catal. A: Chem., 2011, 335(1-2), 89[8] Liu H, Song C, Tang Y, Zhang J. Electrochim. Acta, 2007, 52(13), 4532[9] Bonakdarpour A, Delacote C, Yang R, Wieckowski A, Dahn J R. Electrochem. Commun., 2008, 10(4), 611[10] Garsuch A, Michaud X, Wagner G, Klepel O, Dahn J R. Electrochim. Acta, 2009, 54(4), 1350[11] Alonso-Vante N, Malakhov I V, Nikitenko S G, Savinova E R, Kochubey D I. Electrochim. Acta, 2002, 47(22-23), 3807[12] Nallathambi V, Lee J W, Kumaraguru S P, Wu G, Popov B N. J. Power Sources, 2008, 183(1), 34[13] Lee k, Zhang L, Lui H, Hui R, Shi Z, Zhang J. Electrochim. Acta, 2009, 54(20), 4704[14] Lefevre M, Proietti E, Jaouen F, Dodelet J P. Science, 2009, 324, 71[15] Fournier J, Lalande G, Cote R, Guay D, Dodelet J P. J. Electrochem. Soc., 1997, 144(1), 218[16] Lalande G, Cote R, Guay D, Dodelet J P, Weng L T, Bertand P. Electrochim. Acta, 1997, 42(9), 1379[17] Bezerra C W B, Zhang L, Lee K, Liu H, Marques A L B, Marques E P, Wang H, Zhang J. Electrochim. Acta, 2008, 53(15), 4937[18] Qiao J, Xu L, Xu P, Shi J, Wang H. Electrochim. Acta, 2013, 96: 298[19] Qiao J, Xu L, Ding L, Zhang L, Baker R, Dai X, Zhang J. Appl. Catal., B: Environmental, 2012, 125: 197[20] Wang H, Maiyalagan T, Wang X. ACS Catal., 2012, 2(5), 781[21] Liu G, Li X, Ganesan P, Popov B N. Electrochim. Acta, 2010, 55(8), 2853[22] Liu G, Li X,  Ganesan P, Popov B N. Appl. Catal. B: Environ., 2009, 93(1-2), 156[23] Wu G, Chen Z, Artyushkova K, Garzon F H, Zelenay P. ECS Transactions, 2008, 16(2): 159[24] Wu G, Artyushkova K, Ferrandon M, Kropf J, Myers D, Zelenay P. ECS Transactions, 2009, 25(1): 1299[25] Bard A J, Faulkner L R. Electrochemical Methods, Fundamentals and Applications, Wiley, New York, 2000, ISBN: 978-0-471-04372-0[26] Mamuru S A, Ozoemena K I, Fukuda T, Kobayashi N, Nyokong T. Electrochimi. Acta, 2010, 55(22), 6367[27] Harrison J A, Khan Z A. J. Electroanal. Chem., 1970, 28(1), 131[28] Ni J F, Zhou H H, Chen J T, Zhang X X. Mater. Lett., 2005, 59(18), 2361[29] Hinds G. In NPL Report DEPC-MPE 019; National Physical Laboratory: Teddington, 25 Middlesex, United Kingdom, 2005: 10[30] Bezerra C W B, Zhang L, Lee K, Liu H, Zhang J, Shi Z, Marques A L B, Marques E P, Wu S, Zhang J. Electrochim. Acta, 2008, 53(26), 7703[31] Charreteur F, Ruggeri S, Jaouen F, Dodelet J P. Electrochim. Acta, 2008, 53 (23): 6881[32] Velazquez-Palenzuela A, Zhang L, Wang L, Cabot P L, Brillas E, Tsay K, Zhang J. Electrochim. Acta, 2011, 56(13), 4744[33] Li W, Haldar P. Electrochem. Solid-State Lett., 2010, 13(5), 47[34] Gojkovic S L, Gupta S, Savinell R F. J. Electroanal. Chem., 1999, 462(1), 63[35] G. Lalande, R. Cote, G. Tamizhmani, D. Guay, J.-P. Dodelet, L. Dignard-Bailey, L.-T. Weng, P. Bertrand. Electrochim. Acta, 1995, 40(16), 2635

Conference registration is required in order to view papers.