Low-platinum and platinum-free catalysts for the oxygen reduction reaction at fuel cell cathodes

Energy and Environmental Science

Volumn 4, Issue 4, 2011, Pages 1238-1254

  Morozan, Adina ^a   Jousselme, Bruno ^a   Palacin, Serge ^a  

^a CEA SACLAY   (France)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ALTERNATIVE CATALYSTS; BIO-INSPIRED; CELL REACTIONS; FUEL CELL APPLICATION; FUEL CELL CATHODES; NOBLE METALS; OXYGEN REDUCTION REACTION; POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELLS; PT-BASED CATALYST; WATER FORMATION REACTION;

CATALYSTS; CATHODES; CONVERSION EFFICIENCY; ELECTROLYTIC REDUCTION; ENERGY CONVERSION; OXYGEN; PRECIOUS METALS; PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC);

PLATINUM;

CATALYST; COST-BENEFIT ANALYSIS; ELECTRODE; ELECTROLYTE; ENERGY EFFICIENCY; FUEL CELL; OXYGEN; PLATINUM; REDUCTION;

EID: 79953667003     PISSN: 17545692     EISSN: 17545706     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c0ee00601g     Document Type: Review

References (177)

1. K. E. Martin, J. P. Kopasz and K. W. McMurphy, in Fuel Cell Chemistry and Operation (ACS Symposium Series), ed., A. Herring, T. Zawodzinski, and, S. Hamrock, American Chemical Society, Washington, DC, 2010, pp. 1-13
2. X.-Z. Yuan and H. Wang, in PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers Fundamentals and Applications, ed., J. Zhang, Springer, London, 2008, pp. 1-79
3. L. Zhang J. Zhang D. P. Wilkinson H. Wang J. Power Sources 2006 156 171 182
4. K. Kimijima A. Hayashi S. Umemura J. Miyamoto K. Sekizawa T. Yoshida I. Yagi J. Phys. Chem. C 2010 114 14675 14683
5. X. X. Yuan X. Zeng H. J. Zhang Z. F. Ma C. Y. Wang J. Am. Chem. Soc. 2010 132 1754 1755
6. D. Pillay M. D. Johannes Y. Garsany K. E. Swider-Lyons J. Phys. Chem. C 2010 114 7822 7830
7. R. R. Adzic, in Frontiers in Electrochemistry, Electrocatalysis, ed., J. Lipkowski, and, P. N. Ross, VCH Publishers, New York, 1998
8. A. B. Anderson Electrochim. Acta 2002 47 3759 3763
9. M. Chen Y. C. Xing Langmuir 2005 21 9334 9338
10. R. Zeis A. Mathur G. Fritz J. Lee J. Erlebacher J. Power Sources 2007 165 65 72
11. Y. S. Hu Y. G. Guo W. Sigle S. Hore P. Balaya J. Maier Nat. Mater. 2006 5 713 717
12. T. M. Anderson W. A. Neiwert M. L. Kirk P. M. B. Piccoli A. J. Schultz T. F. Koetzle D. G. Musaev K. Morokuma R. Cao C. L. Hill Science 2004 306 2074 2077
13. R. Bashyam P. Zelenay Nature 2006 443 63 66
14. W. Chen J. Akhigbe C. Bruckner C. M. Li Y. Lei J. Phys. Chem. C 2010 114 8633 8638
15. S. Fukuzumi H. Kotani H. R. Lucas K. Doi T. Suenobu R. L. Peterson K. D. Karlin J. Am. Chem. Soc. 2010 132 6874 6875
16. C. C. Liang A. L. Juliard J. Electroanal. Chem. (1959-1966) 1965 9 390 394
17. T. Toda H. Igarashi H. Uchida M. Watanabe J. Electrochem. Soc. 1999 146 3750 3756
18. S. L. Chen A. Kucernak J. Phys. Chem. B 2004 108 3262 3276
19. Y. Xu, M. Shao, R. Mavrikakis and R. R. Adzic, in Fuel Cell Catalysts, ed., M. T. M. Koper, Wiley Interscience, Hoboken, NJ, 2009, pp. 271-316
20. X. Yu S. Ye J. Power Sources 2007 172 145 154
21. Y. Shao G. Yin Y. Gao J. Power Sources 2007 171 558 566
22. T. S. Ahmadi Z. L. Wang A. Henglein M. A. ElSayed Chem. Mater. 1996 8 1161 1163
23. T. S. Ahmadi Z. L. Wang T. C. Green A. Henglein M. A. ElSayed Science 1996 272 1924 1926
24. C. M. Sanchez-Sanchez J. Solla-Gullon F. J. Vidal-Iglesias A. Aldaz V. Montiel E. Herrero J. Am. Chem. Soc. 2010 132 5622 5624
25. J. Zhang Y. Mo M. B. Vukmirovic R. Klie K. Sasaki R. R. Adzic J. Phys. Chem. B 2004 108 10955 10964
26. J. L. Zhang M. B. Vukmirovic Y. Xu M. Mavrikakis R. R. Adzic Angew. Chem., Int. Ed. 2005 44 2132 2135
27. W. P. Zhou X. Yang M. B. Vukmirovic B. E. Koel J. Jiao G. Peng M. Mavrikakis R. R. Adzic J. Am. Chem. Soc. 2009 131 12755 12762
28. J. Zhang M. B. Vukmirovic K. Sasaki A. U. Nilekar M. Mavrikakis R. R. Adzic J. Am. Chem. Soc. 2005 127 12480 12481
29. M. B. Vukmirovic J. Zhang K. Sasaki A. U. Nilekar F. Uribe M. Mavrikakis R. R. Adzic Electrochim. Acta 2007 52 2257 2263
30. B. Lim M. J. Jiang P. H. C. Camargo E. C. Cho J. Tao X. M. Lu Y. M. Zhu Y. A. Xia Science 2009 324 1302 1305
31. Z. Peng H. Yang J. Am. Chem. Soc. 2009 131 7542 7543
32. V. R. Stamenkovic B. S. Mun M. Arenz K. J. J. Mayrhofer C. A. Lucas G. F. Wang P. N. Ross N. M. Markovic Nat. Mater. 2007 6 241 247
33. V. Stamenkovic T. J. Schmidt P. N. Ross N. M. Markovic J. Electroanal. Chem. 2003 554 191 199
34. U. A. Paulus A. Wokaun G. G. Scherer T. J. Schmidt V. Stamenkovic V. Radmilovic N. M. Markovic P. N. Ross J. Phys. Chem. B 2002 106 4181 4191
35. P. Mani R. Srivastava P. Strasser J. Phys. Chem. C 2008 112 2770 2778
36. G. Gupta D. A. Slanac P. Kumar J. D. Wiggins-Camacho X. Q. Wang S. Swinnea K. L. More S. Dai K. J. Stevenson K. P. Johnston Chem. Mater. 2009 21 4515 4526
37. V. Mazumder M. F. Chi K. L. More S. H. Sun J. Am. Chem. Soc. 2010 132 7848 7849
38. J. Kim Y. Lee S. H. Sun J. Am. Chem. Soc. 2010 132 4996 4997
39. Z. Chen M. Waje W. Li Y. Yan Angew. Chem., Int. Ed. 2007 46 4060 4063
40. X. Teng W.-Q. Han W. Ku M. Hucker Angew. Chem., Int. Ed. 2008 47 2055 2058
41. H. W. Liang S. Liu J. Y. Gong S. B. Wang L. Wang S. H. Yu Adv. Mater. 2009 21 1850 1854
42. T. Kijima T. Yoshimura M. Uota T. Ikeda D. Fujikawa S. Mouri S. Uoyama Angew. Chem., Int. Ed. 2004 43 228 232
43. M. Subhramannia V. K. Pillai J. Mater. Chem. 2008 18 5858 5870
44. L. Cademartiri G. A. Ozin Adv. Mater. 2009 21 1013 1020
45. Y. Xia P. Yang Y. Sun Y. Wu B. Mayers B. Gates Y. Yin F. Kim Y. Yan Adv. Mater. 2003 15 353 389
46. C. Koenigsmann W.-p. Zhou R. R. Adzic E. Sutter S. S. Wong Nano Lett. 2010 10 2806 2811
47. S. Sun D. Yang D. Villers G. Zhang E. Sacher J. P. Dodelet Adv. Mater. 2008 20 571 574
48. C. C. Chien K. T. Jeng Mater. Chem. Phys. 2007 103 400 406
49. S. H. Sun F. Jaouen J. P. Dodelet Adv. Mater. 2008 20 3900 3904
50. H. Zhang Y. J. Yin Y. J. Hu C. Y. Li P. Wu S. H. Wei C. X. Cai J. Phys. Chem. C 2010 114 11861 11867
51. Q. Yuan Z. Y. Zhou J. Zhuang X. Wang Chem. Commun. 2010 46 1491 1493
52. L. M. Vracar D. B. Sepa A. Damjanovic J. Electrochem. Soc. 1986 133 1835 1839
53. K. Kinoshita, Electrochemical Oxygen Technology, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1992
54. V. Stamenkovic B. S. Mun K. J. J. Mayrhofer P. N. Ross N. M. Markovic J. Rossmeisl J. Greeley J. K. Norskov Angew. Chem., Int. Ed. 2006 45 2897 2901
55. M. H. Shao K. Sasaki R. R. Adzic J. Am. Chem. Soc. 2006 128 3526 3527
56. F. Fouda-Onana O. Savadogo Electrochim. Acta 2009 54 1769 1776
57. A. Sarkar A. V. Murugan A. Manthiram J. Mater. Chem. 2009 19 159 165
58. N. N. Kariuki X. Wang J. R. Mawdsley M. S. Ferrandon S. G. Niyogi J. T. Vaughey D. J. Myers Chem. Mater. 2010 22 4144 4152
59. C. Xu Y. Zhang L. Wang L. Xu X. Bian H. Ma Y. Ding Chem. Mater. 2009 21 3110 3116
60. Y. C. Yeh H. M. Chen R. S. Liu K. Asakura M. Y. Lo Y. M. Peng T. S. Chan J. F. Lee Chem. Mater. 2009 21 4030 4036
61. M. H. Shao P. Liu J. L. Zhang R. Adzic J. Phys. Chem. B 2007 111 6772 6775
62. R. Wang S. Liao Z. Fu S. Ji Electrochem. Commun. 2008 10 523 526
63. J. Guo A. Hsu D. Chu R. Chen J. Phys. Chem. C 2010 114 4324 4330
64. J. Zhang K. Sasaki E. Sutter R. R. Adzic Science 2007 315 220 222
65. Y. Park B. Lee C. Kim J. Kim S. Nam Y. Oh B. Park J. Phys. Chem. C 2010 114 3688 3692
66. T. Sotomura, M. Hashimoto and Y. Yamada, US Pat., 7695850 B2, 2010
67. R. Jasinski Nature 1964 201 1212 1213
68. B. Wang J. Power Sources 2005 152 1 15
69. S. Pylypenko S. Mukherjee T. S. Olson P. Atanassov Electrochim. Acta 2008 53 7875 7883
70. U. I. Koslowski I. Abs-Wurmbach S. Fiechter P. Bogdanoff J. Phys. Chem. C 2008 112 15356 15366
71. C. W. B. Bezerra L. Zhang K. C. Lee H. S. Liu A. L. B. Marques E. P. Marques H. J. Wang J. J. Zhang Electrochim. Acta 2008 53 4937 4951
72. Y. Kiros Int. J. Electrochem. Sci. 2007 2 285 300
73. J. P. Dodelet, in N4-Macrocyclic Metal Complexes, ed., J. H. Zagal, F. Bedioui, and, J. P. Dodelet, Springer, New York, 2006, pp. 83-148
74. T. Schilling M. Bron Electrochim. Acta 2008 53 5379 5385
75. M. Lefevre J. P. Dodelet P. Bertrand J. Phys. Chem. B 2002 106 8705 8713
76. M. Lefevre J. P. Dodelet Electrochim. Acta 2003 48 2749 2760
77. J. A. R. Vanveen H. A. Colijn J. F. Vanbaar Electrochim. Acta 1988 33 801 804
78. G. Lalande G. Faubert R. Cote D. Guay J. P. Dodelet L. T. Weng P. Bertrand J. Power Sources 1996 61 227 237
79. H. Jahnke M. Schonborn G. Zimmermann Top. Curr. Chem. 1976 61 133 181
80. V. S. Bagotzky M. R. Tarasevich K. A. Radyushkina O. A. Levina S. I. Andrusyova J. Power Sources 1978 2 233 240
81. S. Gupta D. Tryk I. Bae W. Aldred E. Yeager J. Appl. Electrochem. 1989 19 19 27
82. J. Zagal P. Bindra E. Yeager J. Electrochem. Soc. 1980 127 1506 1517
83. J. Zagal M. Paez A. A. Tanaka J. R. dos Santos, Jr C. A. Linkous J. Electroanal. Chem. 1992 339 13 30
84. G. F. Wang N. Ramesh A. Hsu D. Chu R. R. Chen Mol. Simul. 2008 34 1051 1056
85. R. R. Chen H. X. Li D. Chu G. F. Wang J. Phys. Chem. C 2009 113 20689 20697
86. Y. Ji Z. Li S. Wang G. Xu X. Yu Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 8117 8121
87. R. Baker D. P. Wilkinson J. J. Zhang Electrochim. Acta 2009 54 3098 3102
88. Z. Odabas A. Altindal A. R. Ozkaya B. Salih O. Bekaroglu Sens. Actuators, B 2010 145 355 366
89. S. A. Mamuru K. I. Ozoemena Electroanalysis 2010 22 985 994
90. M. Bron J. Radnik M. Fieber-Erdmann P. Bogdanoff S. Fiechter J. Electroanal. Chem. 2002 535 113 119
91. J. M. Rosolen M. Ines Rabelo de S. Welliton Jose da S. Tronto J. Power Sources 2006 160 997 1002
92. Y. Shao G. Yin J. Zhang Y. Gao Electrochim. Acta 2006 51 5853 5857
93. X. Wang W. Z. Li Z. W. Chen M. Waje Y. S. Yan J. Power Sources 2006 158 154 159
94. J. Pettersson B. Ramsey D. Harrison J. Power Sources 2006 157 28 34
95. Y. Shao J. Liu Y. Wang Y. Lin J. Mater. Chem. 2009 19 46 59
96. E. Antolini Appl. Catal., B 2009 88 1 24
97. K. P. Gong F. Du Z. H. Xia M. Durstock L. M. Dai Science 2009 323 760 764
98. M. Bron S. Fiechter M. Hilgendorff P. Bogdanoff J. Appl. Electrochem. 2002 32 211 216
99. S. H. Joo S. J. Choi I. Oh J. Kwak Z. Liu O. Terasaki R. Ryoo Nature 2001 412 169 172
100. J. Ozaki T. Anahara N. Kimura A. Oya Carbon 2006 44 3358 3361
101. F. Jaouen F. Charreteur J. P. Dodelet J. Electrochem. Soc. 2006 153 A689 A698
102. F. Jaouen M. Lefevre J. P. Dodelet M. Cai J. Phys. Chem. B 2006 110 5553 5558
103. T. E. Wood Z. Tan A. K. Schmoeckel D. O'Neill R. Atanasoski J. Power Sources 2008 178 510 516
104. N. P. Subramanian X. G. Li V. Nallathambi S. P. Kumaraguru H. Colon-Mercado G. Wu J. W. Lee B. N. Popov J. Power Sources 2009 188 38 44
105. Z. F. Ma X. Y. Xie X. X. Ma D. Y. Zhang Q. Ren N. Hess-Mohr V. M. Schmidt Electrochem. Commun. 2006 8 389 394
106. C. W. B. Bezerra L. Zhang K. C. Lee H. S. Liu J. L. Zhang Z. Shi A. L. B. Marques E. P. Marques S. H. Wu J. J. Zhang Electrochim. Acta 2008 53 7703 7710
107. H. J. Zhang X. Yuan L. Sun X. Zeng Q. Z. Jiang Z. Shao Z. F. Ma Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 2900 2903
108. H. J. Zhang X. Yuan W. Wen D. Y. Zhang L. Sun Q. Z. Jiang Z. F. Ma Electrochem. Commun. 2009 11 206 208
109. F. Jaouen S. Marcotte J. P. Dodelet G. Lindbergh J. Phys. Chem. B 2003 107 1376 1386
110. K. Sawai N. Suzuki J. Electrochem. Soc. 2004 151 A682 A688
111. A. Biloul O. Contamin G. Scarbeck M. Savy D. Vandenham J. Riga J. J. Verbist J. Electroanal. Chem. 1992 335 163 186
112. R. Cote G. Lalande D. Guay J. P. Dodelet G. Denes J. Electrochem. Soc. 1998 145 2411 2418
113. F. Charreteur F. Jaouen J. P. Dodelet Electrochim. Acta 2009 54 6622 6630
114. J. Maruyama I. Abe Chem. Mater. 2005 17 4660 4667
115. J. Maruyama I. Abe Chem. Mater. 2006 18 1303 1311
116. J. Maruyama N. Fukui M. Kawaguchi I. Abe J. Power Sources 2008 182 489 495
117. J. Maruyama N. Fukui M. Kawaguchi I. Abe J. Power Sources 2009 194 655 661
118. A. Morozan, B. Jousselme, P. Jegou and S. Palacin, in 61st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, Nice, 2010
119. H. Niwa K. Horiba Y. Harada M. Oshima T. Ikeda K. Terakura J. Ozaki S. Miyata J. Power Sources 2009 187 93 97
120. V. Nallathambi J. W. Lee S. P. Kumaraguru G. Wu B. N. Popov J. Power Sources 2008 183 34 42
121. P. H. Matter U. S. Ozkan Catal. Lett. 2006 109 115 123
122. S. Maldonado K. J. Stevenson J. Phys. Chem. B 2005 109 4707 4716
123. Y. Okamoto Appl. Surf. Sci. 2009 256 335 341
124. J. Rossmeisl A. Logadottir J. K. Norskov Chem. Phys. 2005 319 178 184
125. Y. Wang P. B. Balbuena J. Phys. Chem. B 2004 108 4376 4384
126. M. Otani O. Sugino Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 73 115407
127. R. A. Sidik A. B. Anderson N. P. Subramanian S. P. Kumaraguru B. N. Popov J. Phys. Chem. B 2006 110 1787 1793
128. M. Lefevre E. Proietti F. Jaouen J. P. Dodelet Science 2009 324 71 74
129. F. Charreteur F. Jaouen S. Ruggeri J. P. Dodelet Electrochim. Acta 2008 53 2925 2938
130. M. Lefevre J. P. Dodelet P. Bertrand J. Phys. Chem. B 2000 104 11238 11247
131. G. Faubert R. Cote J. P. Dodelet M. Lefevre P. Bertrand Electrochim. Acta 1999 44 2589 2603
132. A. B. Anderson R. A. Sidik J. Phys. Chem. B 2004 108 5031 5035
133. A. Titov P. Zapol P. Kral D. J. Liu H. Iddir K. Baishya L. A. Curtiss J. Phys. Chem. C 2009 113 21629 21634
134. G. Liu X. G. Li P. Ganesan B. N. Popov Appl. Catal., B 2009 93 156 165
135. J. Ozaki S. Tanifuji A. Furuichi K. Yabutsuka Electrochim. Acta 2010 55 1864 1871
136. G. C. K. Liu J. R. Dahn Appl. Catal., A 2008 347 43 49
137. Y. G. Wang L. Cheng F. Li H. M. Xiong Y. Y. Xia Chem. Mater. 2007 19 2095 2101
138. F. Y. Cheng Y. Su J. Liang Z. L. Tao J. Chen Chem. Mater. 2010 22 898 905
139. Y. G. Wang Y. Y. Xia Electrochem. Commun. 2006 8 1775 1778
140. D. Y. Qu J. Power Sources 2006 156 692 699
141. W. Sun A. Hsu R. Chen J. Power Sources 2011 196 627 635
142. A. Ishihara Y. Ohgi K. Matsuzawa S. Mitsushima K.-I. Ota Electrochim. Acta 2010 55 8005 8012
143. J. H. Kim A. Ishihara S. Mitsushima N. Kamiya K. I. Ota Electrochim. Acta 2007 52 2492 2497
144. Y. Takasu M. Suzuki H. Yang T. Ohashi W. Sugimoto Electrochim. Acta 2010 55 8220 8229
145. E. Vayner R. A. Sidik A. B. Anderson B. N. Popov J. Phys. Chem. C 2007 111 10508 10513
146. Y. J. Feng T. He N. Alonso-Vante Chem. Mater. 2008 20 26 28
147. H.-J. Zhang Q.-Z. Jiang L. Sun X. Yuan Z. Shao Z.-F. Ma Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 8295 8302
148. R. A. Sidik A. B. Anderson J. Phys. Chem. B 2006 110 936 941
149. K. Lee L. Zhang J. J. Zhang Electrochem. Commun. 2007 9 1704 1708
150. P. Nekooi M. Akbari M. K. Amini Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 6392 6398
151. S. Ferguson-Miller G. T. Babcock Chem. Rev. 1996 96 2889 2907
152. M. M. Pereira M. Santana M. Teixeira Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 2001 1505 185 208
153. T. Tsukihara H. Aoyama E. Yamashita T. Tomizaki H. Yamaguchi K. Shinzawaitoh R. Nakashima R. Yaono S. Yoshikawa Science 1995 269 1069 1074
154. J. P. Collman A. Dey R. A. Decreau Y. Yang A. Hosseini E. I. Solomon T. A. Eberspacher Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2008 105 9892 9896
155. J. P. Collman N. K. Devaraj R. A. Decreau Y. Yang Y. L. Yan W. Ebina T. A. Eberspacher C. E. D. Chidsey Science 2007 315 1565 1568
156. Y. Ma P. B. Balbuena Chem. Phys. Lett. 2007 440 130 133
157. H. Claus Micron 2004 35 93 96
158. E. I. Solomon U. M. Sundaram T. E. Machonkin Chem. Rev. 1996 96 2563 2605
159. E. Vayner H. Schweiger A. B. Anderson J. Electroanal. Chem. 2007 607 90 100
160. N. Mano J. L. Fernandez Y. Kim W. Shin A. J. Bard A. Heller J. Am. Chem. Soc. 2003 125 15290 15291
161. C. F. Blanford C. E. Foster R. S. Heath F. A. Armstrong Faraday Discuss. 2008 140 319 335
162. J. A. Cracknell K. A. Vincent F. A. Armstrong Chem. Rev. 2008 108 2439 2461
163. V. Artero M. Fontecave Coord. Chem. Rev. 2005 249 1518 1535
164. D. M. Heinekey J. Organomet. Chem. 2009 694 2671 2680
165. H. Tributsch Electrochim. Acta 2007 52 2302 2316
166. Y. Zhang M. Q. Hu H. M. Wen Y. T. Si C. B. Ma C. N. Chen Q. T. Liu J. Organomet. Chem. 2009 694 2576 2580
167. J. A. Kovacs Science 2003 299 1024 1025
168. Y. X. Wang P. B. Balbuena J. Phys. Chem. B 2005 109 18902 18906
169. I. Willner Y. M. Yan B. Willner R. Tel-Vered Fuel Cells 2009 9 7 24
170. H. Shin D. H. Lee C. Kang K. D. Karlin Electrochim. Acta 2003 48 4077 4082
171. G. T. Babcock M. Wikstrom Nature 1992 356 301 309
172. E. Aznar S. Ferrer J. Borras F. Lloret M. Liu-Gonzalez H. Rodriguez-Prieto S. Garcia-Granda Eur. J. Inorg. Chem. 2006 5115 5125
173. M. S. Thorum J. Yadav A. A. Gewirth Angew. Chem., Int. Ed. 2009 48 165 167
174. Y. Sunatsuki Y. Motoda N. Matsumoto Coord. Chem. Rev. 2002 226 199 209
175. J. A. R. Navarro B. Lippert Coord. Chem. Rev. 2001 222 219 250
176. K. D. Karlin S. Kaderli A. D. Zuberbuhler Acc. Chem. Res. 1997 30 139 147
177. I. O. Matos T. L. Ferreira T. R. L. C. Paixão A. S. Lima M. Bertotti W. A. Alves Electrochim. Acta 2010 55 5223 5229