Recent progress in non-precious metal catalysts for PEM fuel cell applications

Canadian Journal of Chemical Engineering

Volumn 91, Issue 12, 2013, Pages 1881-1895

  Higgins, Drew C ^a   Chen, Zhongwei ^a  

^a UNIVERSITY OF WATERLOO   (Canada)

Author keywords

Electrocatalyst; Energy conversion; Fuel cell; Oxygen reduction reaction; Sustainable energy

Indexed keywords

COMMERCIALISATION; ECONOMIC ADVANTAGES; NON-PRECIOUS METAL CATALYSTS; OPERATIONAL STABILITY; OXYGEN REDUCTION REACTION; PLATINUM CATALYSTS; POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL (PEMFCS); SUSTAINABLE ENERGY;

ELECTROCATALYSTS; ELECTROLYTIC REDUCTION; ENERGY CONVERSION; FUEL CELLS; PRECIOUS METALS;

PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC);

EID: 84887024149     PISSN: 00084034     EISSN: 1939019X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/cjce.21884     Document Type: Article

References (131)

1. Technical Plan-Fuel Cells. Available online at: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/mypp/pdfs/fuel_cells.pdf 2011.
2. B. James, J. Kalinoski, K. Baum, Mass production cost estimation for direct H2 PEM fuel cell systems for automotive applications: 2010 update. 2010. Available online at: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/dti_80kwW_fc_system_cost_analysis_report_2010.pdf
3. R. Borup, J. Meyers, B. Pivovar, Y. S. Kim, R. Mukundan, N. Garland, D. Myers, M. Wilson, F. Garzon, D. Wood, P. Zelenay, K. More, K. Stroh, T. Zawodzinski, J. Boncella, J. E. McGrath, M. Inaba, K. Miyatake, M. Hori, K. Ota, Z. Ogumi, S. Miyata, A. Nishikata, Z. Siroma, Y. Uchimoto, K. Yasuda, K. I. Kimijima, N. Iwashita, Chem. Rev. 2007, 107, 3904.
4. Y. Liu, A. Ishihara, S. Mitsushima, N. Kamiya, K. Ota, J. Electrochem. Soc. 2007, 154, B664.
5. J. Kim, T. Oh, Y. Shin, J. Bonnett, K. Weil, Int. J. Hydrogen Energy 2011, 36, 4557.
6. J. H. Kim, A. Ishihara, S. Mitsushima, N. Kamiya, K. I. Ota, Electrochim. Acta 2007, 52, 2492.
7. K. C. Lee, A. Ishihara, S. Mitsushima, N. Kamiya, K. I. Ota, Electrochim. Acta 2004, 49, 3479.
8. H. X. Zhong, G. Liu, Y. M. Liang, J. W. Hu, B. L. Yi, Electrochem. Commun. 2006, 8, 707.
9. H. Behret, H. Binder, G. Sandstede, Electrochim. Acta 1975, 20, 111.
10. D. Susac, L. Zhu, M. Teo, A. Sode, K. C. Wong, P. C. Wong, R. R. Parsons, D. Bizzotto, K. A. R. Mitchell, S. A. Campbell, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 18715.
11. E. Vayner, R. A. Sidik, A. B. Anderson, B. N. Popov, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 10508.
12. Y. J. Feng, T. He, N. Alonso-Vante, Chem. Mater. 2008, 20, 26.
13. K. Lee, L. Zhang, J. J. Zhang, Electrochem. Commun. 2007, 9, 1704.
14. R. Bashyam, P. Zelenay, Nature 2006, 443, 63.
15. W. M. Millan, M. A. Smit, J. Appl. Polym. Sci. 2009, 112, 2529.
16. W. M. Millan, T. T. Thompson, L. G. Arriaga, M. A. Smit, Int. J. Hydrogen Energy 2009, 34, 694.
17. R. Sulub, W. Martinez-Millan, M. A. Smit, Int. J. Electrochem. Sci. 2009, 4, 1015.
18. Z. Chen, D. Higgins, A. Yu, L. Zhang, J. Zhang, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3167.
19. A. Ishihara, Y. Ohgi, K. Matsuzawa, S. Mitsushima, K. Ota, Electrochim. Acta 2010, 55, 8005.
20. F. Jaouen, E. Proietti, M. Lefèvre, R. Chenitz, J. P. Dodelet, G. Wu, H. T. Chung, C. M. Johnston, P. Zelenay, Energy Environ. Sci. 2010, 4, 114.
21. R. Othman, A. L. Dicks, Z. Zhu, Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37, 357.
22. A. Morozan, B. Jousselme, S. Palacin, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1238.
23. A. A. Gewirth, M. S. Thorum, Inorg. Chem. 2010, 49, 3557.
24. R. Jasinski, Nature 1964, 201, 1212.
25. H. Alt, H. Binder, G. J. Sandsted, Catalysis 1973, 28, 8.
26. R. Franke, D. Ohms, K. Wiesener, J. Electroanal. Chem. 1989, 260, 63.
27. D. Scherson, A. A. Tanaka, S. L. Gupta, D. Tryk, C. Fierro, R. Holze, E. B. Yeager, R. P. Lattimer, Electrochim. Acta 1986, 31, 1247.
28. J. A. R. van Veen, H. A. Colijn, J. F. van Baar, Electrochim. Acta 1988, 33, 801.
29. S. Gupta, D. Tryk, I. Bae, W. Aldred, E. Yeager, J. Appl. Electrochem. 1989, 19, 19.
30. J. Zhang, in 5th Annual Green Energy Conference, Waterloo, ON, Canada 2010.
31. D. Ohms, S. Herzog, R. Franke, V. Neumann, K. Wiesener, S. Gamburcev, A. Kaisheva, I. Iliev, J. Power Sources 1992, 38, 327.
32. K. Wiesener, D. Ohms, V. Neumann, R. Franke, Mater. Chem. Phys. 1989, 22, 457.
33. N. Cheng, C. Kemna, S. Goubert-Renaudin, A. Wieckowski, Electrocatalysis 2012, 3, 238.
34. J. H. Zagal, Coord. Chem. Rev. 1992, 119, 89.
35. C. N. Shi, F. C. Anson, Inorg. Chem. 1990, 29, 4298.
36. R. Baker, D. P. Wilkinson, J. J. Zhang, Electrochim. Acta 2008, 53, 6906.
37. W. Li, A. Yu, D. C. Higgins, B. G. Llanos, Z. Chen, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17056.
38. A. L. Bouwkamp-Wijnoltz, W. Visscher, J. A. R. van Veen, E. Boellaard, A. M. van der Kraan, S. C. Tang, J. Phys. Chem. B 2002, 106, 12993.
39. L. Birry, J. Zagal, J. Dodelet, Electrochem. Commun. 2010, 12, 628.
40. S. L. Gojkovic, S. Gupta, R. F. Savinell, J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 3493.
41. S. L. Gojkovic, S. Gupta, R. F. Savinell, Electrochim. Acta 1999, 45, 889.
42. J. Herranz, M. Lefevre, J. P. Dodelet, J. Electrochem. Soc. 2009, 156, B593.
43. R. Kothandaraman, V. Nallathambi, K. Artyushkova, S. C. Barton, Appl. Catal. B Environ. 2009, 92, 209.
44. X. G. Li, C. P. Liu, W. Xing, T. H. Lu, J. Power Sources 2009, 193, 470.
45. H. Meng, N. Larouche, M. Lefèvre, F. Jaouen, B. Stansfield, J. Dodelet, Electrochim. Acta 2010, 55, 6450.
46. E. Proietti, S. Ruggeri, J. P. Dodelet, J. Electrochem. Soc. 2008, 155, B340.
47. F. Charreteur, F. Jaouen, J. P. Dodelet, Electrochim. Acta 2009, 54, 6622.
48. F. Charreteur, F. Jaouen, S. Ruggeri, J. P. Dodelet, Electrochim. Acta 2008, 53, 2925.
49. M. Lefevre, J. P. Dodelet, Electrochim. Acta 2003, 48, 2749.
50. M. Lefevre, J. P. Dodelet, P. Bertrand, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16718.
51. M. Lefevre, E. Proietti, F. Jaouen, J. P. Dodelet, Science 2009, 324, 71.
52. E. J. Biddinger, U. S. Ozkan, Top. Catal. 2007, 46, 339.
53. E. J. Biddinger, D. von Deak, U. S. Ozkan, Top. Catal. 2009, 52, 1566.
54. X. G. Li, G. Liu, B. N. Popov, J. Power Source 2010, 195, 6373.
55. G. Liu, X. G. Li, P. Ganesan, B. N. Popov, Appl. Catal. B Environ. 2009, 93, 156.
56. G. Liu, X. G. Li, P. Ganesan, B. N. Popov, Electrochim. Acta 2010, 55, 2853.
57. S. Maldonado, K. J. Stevenson, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 11375.
58. P. H. Matter, U. S. Ozkan, Catal. Lett. 2006, 109, 115.
59. P. H. Matter, E. Wang, M. Arias, E. J. Biddinger, U. S. Ozkan, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 18374.
60. P. H. Matter, E. Wang, J. M. M. Millet, U. S. Ozkan, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 1444.
61. P. H. Matter, L. Zhang, U. S. Ozkan, J. Catal. 2006, 239, 83.
62. V. Nallathambi, J. W. Lee, S. P. Kumaraguru, G. Wu, B. N. Popov, J. Power Sources 2008, 183, 34.
63. J. Ozaki, S. Tanifuji, A. Furuichi, K. Yabutsuka, Electrochim. Acta 2010, 55, 1864.
64. B. N. Popov, X. Li, G. Liu, J. Lee, Int. J. Hydrogen Energy 2010, 36, 1794.
65. X. Q. Wang, J. S. Lee, Q. Zhu, J. Liu, Y. Wang, S. Dai, Chem. Mater. 2010, 22, 2178.
66. H. A. Gasteiger, N. M. Markovic, Science 2009, 324, 48.
67. J. Choi, R. Hsu, Z. Chen, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 8048.
68. G. Wu, K. L. More, C. M. Johnston, P. Zelenay, Science 2011, 332, 443.
69. L. Wu, Y. Nabae, S. Moriya, K. Matsubayashi, N. M. Islam, S. Kuroki, M. Kakimoto, J. Ozaki, S. Miyata, Chem. Commun. 2010, 46, 6377.
70. E. Proietti, F. Jaouen, M. Lefèvre, N. Larouche, J. Tian, J. Herranz, J.-P. Dodelet, Nat. Commun. 2011, 2, 416.
71. U. Kramm, I. Abs-Wurmbach, I. Herrmann-Geppert, J. Radnik, S. Fiechter, P. Bogdanoff, J. Electrochem. Soc. 2011, 158, B69.
72. U. I. Kramm, J. Herranz, N. Larouche, T. M. Arruda, M. Lefevre, F. Jaouen, P. Bogdanoff, S. Fiechter, I. Abs-Wurmbach, S. Mukerjee, J.-P. Dodelet, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 11673.
73. C. Medard, M. Lefevre, J. P. Dodelet, F. Jaouen, G. Lindbergh, Electrochim. Acta 2006, 51, 3202.
74. F. Charreteur, S. Ruggeri, F. Jaouen, J. P. Dodelet, Electrochim. Acta 2008, 53, 6881.
75. F. Jaouen, M. Lefevre, J. P. Dodelet, M. Cai, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 5553.
76. M. Lefevre, J. P. Dodelet, P. Bertrand, J. Phys. Chem. B 2002, 106, 8705.
77. H. Wang, R. Cote, G. Faubert, D. Guay, J. P. Dodelet, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 2042
78. F. Jaouen, J. P. Dodelet, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 5963.
79. F. Jaouen, A. M. Serventi, M. Lefevre, J. P. Dodelet, P. Bertrand, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 5971.
80. G. Wu, K. Artyushkova, M. Ferrandon, A. J. Kropf, D. Myers, P. Zelenay, ECS Trans. 2009, 25, 1299.
81. G. Wu, Z. Chen, K. Artyushkova, F. H. Garzon, P. Zelenay, ECS Trans. 2008, 16, 159.
82. Z. Chen, D. Higgins, Z. Chen, Carbon 2010, 48, 3057.
83. Z. Chen, D. Higgins, Z. Chen, Electrochim. Acta 2010, 55, 4799.
84. Z. Chen, D. Higgins, H. Tao, R. Hsu, Z. Chen, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 21008.
85. K. Gong, F. Du, Z. Xia, M. Durstock, L. Dai, Science 2009, 323, 760.
86. D. Higgins, Z. Chen, Z. Chen, Electrochim. Acta 2011, 56, 1570.
87. D. C. Higgins, Z. Chen, ECS Trans. 2010, 28, 63.
88. D. Yu, Q. Zhang, L. Dai, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 15127.
89. D. C. Higgins, J. Wu, W. Li, Z. Chen, Electrochim. Acta 2012, 59, 8.
90. D. Geng, H. Liu, Y. Chen, R. Li, X. Sun, S. Ye, S. Knights, J. Power Sources 2011, 196, 1795.
91. H. Li, H. Liu, Z. Jong, W. Qu, D. Geng, X. Sun, H. Wang, Int. J. Hydrogen Energy 2011, 36, 2258.
92. D. Higgins, Z. Chen, D. U. Lee, Z. Chen, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 2639.
93. L. Qu, Y. Liu, J.-B. Baek, L. Dai, ACS Nano 2010, 4, 1321.
94. D. Geng, Y. Chen, Y. Chen, Y. Li, R. Li, X. Sun, S. Ye, S. Knights, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 760.
95. B. Zheng, J. Wang, F.-B. Wang, X.-H. Xia, Electrochem. Commun. 2013, 28, 24.
96. G. Vijayaraghavan, K. J. Stevenson, Langmuir 2007, 23, 5279.
97. D. C. Higgins, D. Meza, Z. Chen, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 21982.
98. Y. Chen, J. Wang, H. Liu, R. Li, X. Sun, S. Ye, S. Knights, Electrochem. Commun. 2009, 11, 2071.
99. Y. Chen, J. Wang, H. Liu, M. N. Banis, R. Li, X. Sun, T.-K. Sham, S. Ye, S. Knights, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3769.
100. R. Imran Jafri, N. Rajalakshmi, S. Ramaprabhu, J. Mater. Chem. 2010, 20, 7114.
101. H. R. Byon, J. Suntivich, E. J. Crumlin, Y. Shao-Horn, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 21437.
102. K. R. Lee, K. U. Lee, J. W. Lee, B. T. Ahn, S. I. Woo, Electrochem. Commun. 2010, 12, 1052.
103. Y. Li, W. Zhou, H. Wang, L. Xie, Y. Liang, F. Wei, J.-C. Idrobo, S. J. Pennycook, H. Dai, Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 394.
104. C. H. Choi, S. H. Park, S. I. Woo, ACS Nano 2012, 6, 7084.
105. E. J. Biddinger, D. S. Knapke, D. von Deak, U. S. Ozkan, Appl. Catal. B Environ. 2010, 96, 72.
106. H. T. Chung, C. M. Johnston, K. Artyushkova, M. Ferrandon, D. J. Myers, P. Zelenay, Electrochem. Commun. 2010, 12, 1792.
107. H. S. Liu, C. J. Song, Y. H. Tang, J. L. Zhang, H. J. Zhang, Electrochim. Acta 2007, 52, 4532.
108. H. S. Liu, Z. Shi, J. L. Zhang, L. Zhang, J. J. Zhang, J. Mater. Chem. 2009, 19, 468.
109. A. Serov, M. H. Robson, K. Artyushkova, P. Atanassov, Appl. Catal. B Environ. 2012, 127, 300.
110. A. Serov, M. H. Robson, B. Halevi, K. Artyushkova, P. Atanassov, Electrochem. Commun. 2012, 22, 53.
111. A. Serov, M. H. Robson, M. Smolnik, P. Atanassov, Electrochim. Acta 2012, 80, 213.
112. A. Garsuch, T. Dahn, O. Klepel, R. R. Garsuch, J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 2008, 155, B236.
113. A. Garsuch, K. MacIntyre, X. Michaud, D. A. Stevens, J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 2008, 155, B953.
114. A. K. Geim, K. S. Novoselov, Nat. Mater. 2007, 6, 183.
115. X. Fu, Y. Liu, X. Cao, J. Jin, Q. Liu, J. Zhang, Appl. Catal. B Environ. 2012, 130, 143.
116. H. R. Byon, J. Suntivich, Y. Shao-Horn, Chem. Mater. 2011, 23, 3421.
117. J. Y. Choi, D. Higgins, Z. Chen, J. Electrochem. Soc. 2012, 159, B87.
118. H. A. Gasteiger, S. S. Kocha, B. Sompalli, F. T. Wagner, Appl. Catal. B Environ. 2005, 56, 9.
119. A. Ignaszak, S. Ye, E. Gyenge, J. Phys. Chem. C 2008, 113, 298.
120. T. Soboleva, X. Zhao, K. Malek, Z. Xie, T. Navessin, S. Holdcroft, ACS Appl. Mater. Interfaces 2010, 2, 375.
121. I. Herrmann, U. Kramm, S. Fiechter, P. Bogdanoff, Electrochim. Acta 2009, 54, 4275.
122. Y. Liu, C. Ji, W. Gu, D. R. Baker, J. Jorne, H. A. Gasteiger, J. Electrochem. Soc. 2010, 157, B1154.
123. J. Xie, F. Xu, D. L. Wood Iii, K. L. More, T. A. Zawodzinski, W. H. Smith, Electrochim. Acta 2010, 55, 7404.
124. U. I. Koslowski, I. Abs-Wurmbach, S. Fiechter, P. Bogdanoff, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 15356.
125. G. Wu, M. Nelson, S. Ma, H. Meng, G. Cui, P. K. Shen, Carbon 2011, 49, 3972.
126. S. Li, L. Zhang, J. Kim, M. Pan, Z. Shi, J. Zhang, Electrochim. Acta 2010, 55, 7346.
127. T. S. Olson, S. Pylypenko, J. E. Fulghum, P. Atanassov, J. Electrochem. Soc. 2010, 157, B54.
128. Y. Nabae, S. Moriya, K. Matsubayashi, S. M. Lyth, M. Malon, L. B. Wu, N. M. Islam, Y. Koshigoe, S. Kuroki, M. A. Kakimoto, S. Miyata, J. Ozaki, Carbon 2010, 48, 2613.
129. S. H. Lim, Z. Li, C. K. Poh, L. Lai, J. Lin, J. Power Sources 2012, 214, 15.
130. A. Morozan, S. Campidelli, A. Filoramo, B. Jousselme, S. Palacin, Carbon 2011, 49, 4839.
131. J. Herranz, F. Jaouen, M. Lefèvre, U. I. Kramm, E. Proietti, J.-P. Dodelet, P. Bogdanoff, S. Fiechter, I. Abs-Wurmbach, P. Bertrand, T. M. Arruda, S. Mukerjee, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 16087.