Design criteria for stable Pt/C fuel cell catalysts

Beilstein Journal of Nanotechnology

Volumn 5, Issue 1, 2014, Pages 44-67

  Meier, Josef C ^a   Galeano, Carolina ^b   Katsounaros, Ioannis ^a   Witte, Jonathon ^a   Bongard, Hans J ^b   Topalov, Angel A ^a   Baldizzone, Claudio ^a   Mezzavilla, Stefano ^b   Schüth, Ferdi ^b   Mayrhofer, Karl J J ^a  

^a MAX PLANCK INSTITUT FÜR EISENFORSCHUNG GMBH   (Germany)

^b MAX PLANCK INSTITUT FÜR KOHLENFORSCHUNG   (Germany)

Author keywords

Catalyst design criteria; Degradation mechanisms; Fuel cell catalyst; Nanoparticles; Stability

Indexed keywords

EID: 84894028676     PISSN: None     EISSN: 21904286     Source Type: Journal    
DOI: 10.3762/bjnano.5.5     Document Type: Review

References (88)

1. Debe, M. K. Nature 2012, 486, 43-51. doi:10.1038/nature11115
2. Marković, N. M., Ross, P. N., Jr. Surf. Sci. Rep. 2002, 45, 117-229. doi:10.1016/S0167-5729(01)00022-X
3. Borup, R., Meyers, J., Pivovar, B., Kim, Y. S., Mukundan, R., Garland, N., Myers, D., Wilson, M., Garzon, F., Wood, D., Zelenay, P., More, K., Stroh, K., Zawodinski, T., Boncella, J., McGrath, J. E., Inaba, M., Miyatake, K., Hori, M., Ota, K., Ogumi, Z., Miyata, S., Nishikata, A., Siroma, Z., Uchimoto, Y., Yasuda, K., Kimijima, K.-i., Iwashita, N. Chem. Rev. 2007, 107, 3904-3951. doi:10.1021/cr050182l
4. Gasteiger, H. A., Kocha, S. S., Sompalli, B., Wagner, F. T. Appl. Catal., B 2005, 56, 9-35. doi:10.1016/j.apcatb.2004.06.021
5. Greeley, J., Stephens, I. E. L., Bondarenko, A. S., Johansson, T. P., Hansen, H. A., Jaramillo, T. F., Rossmeisl, J., Chorkendorff, I., Nørskov, J. K. Nat. Chem. 2009, 1, 552-556. doi:10.1038/nchem.367
6. Stamenkovic, V. R., Fowler, B., Mun, B. S., Wang, G., Ross, P. N., Lucas, C. A., Marković, N. M. Science 2007, 315, 493-497. doi:10.1126/science.1135941
7. Stamenkovic, V. R., Mun, B. S., Arenz, M., Mayrhofer, K. J. J., Lucas, C. A., Wang, G., Ross, P. N., Marković, N. M. Nat. Mater. 2007, 6, 241-247. doi:10.1038/nmat1840
8. Bregoli, L. J. Electrochim. Acta 1978, 23, 489-492. doi:10.1016/0013-4686(78)85025-7
9. Sattler, M. L., Ross, P. N. Ultramicroscopy 1986, 20, 21-28. doi:10.1016/0304-3991(86)90163-4
10. Kinoshita, K. J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 845-848. doi:10.1149/1.2086566
11. Mayrhofer, K. J. J., Blizanac, B. B., Arenz, M., Stamenkovic, V. R., Ross, P. N., Marković, N. M. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 14433-14440. doi:10.1021/jp051735z
12. Nesselberger, M., Ashton, S., Meier, J. C., Katsounaros, I., Mayrhofer, K. J. J., Arenz, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 17428-17433. doi:10.1021/ja207016u
13. Perez-Alonso, F. J., McCarthy, D. N., Nierhoff, A., Hernandez-Fernandez, P., Strebel, C., Stephens, I. E. L., Nielsen, J. H., Chorkendorff, I. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 4641-4643. doi:10.1002/anie.201200586
14. Sheng, W., Chen, S., Vescovo, E., Shao-Horn, Y. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, B96-B103. doi:10.1149/2.009202jes
15. Shao-Horn, Y., Sheng, W. C., Chen, S., Ferreira, P. J., Holby, E. F., Morgan, D. Top. Catal. 2007, 46, 285-305. doi:10.1007/s11244-007-9000-0
16. Meier, J. C., Galeano, C., Katsounaros, I., Topalov, A. A., Kostka, A., Schüth, F., Mayrhofer, K. J. J. ACS Catal. 2012, 2, 832-843. doi:10.1021/cs300024h
17. Mench, M. M., Kumbur, E. C., Veziroglu, T. N. Polymer Electrolyte Fuel Cell Degradation; Academic Press: Amsterdam, The Netherlands, 2012.
18. Kinoshita, K., Lundquist, J. T., Stonehardt, P. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1973, 48, 157-166. doi:10.1016/S0022-0728(73)80257-8
19. Kreitmeier, S., Wokaun, A., Büchi, F. N. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, F787-F793. doi:10.1149/2.019212jes
20. Shen, Q., Hou, M., Liang, D., Zhou, Z., Li, X., Shao, Z., Yi, B. J. Power Sources 2009, 189, 1114-1119. doi:10.1016/j.jpowsour.2008.12.075
21. Rabis, A., Rodriguez, P., Schmidt, T. J. ACS Catal. 2012, 2, 864-890. doi:10.1021/cs3000864
22. Hartnig, C., Schmidt, T. J. J. Power Sources 2011, 196, 5564-5572. doi:10.1016/j.jpowsour.2011.01.044
23. Kinoshita, K. Carbon: Electrochemical and Physicochemical Properties; Wiley & Sons: New York, NY, USA, 1988.
24. Sheng, W., Lee, S. W., Crumlin, E. J., Chen, S., Shao-Horn, Y. J. Electrochem. Soc. 2011, 158, B1398-B1404. doi:10.1149/2.066111jes
25. Hasché, F., Oezaslan, M., Strasser, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 15251-15258. doi:10.1039/c0cp00609b
26. Kou, R., Shao, Y., Wang, D., Engelhard, M. H., Kwak, J. H., Wang, J., Viswanathan, V. V., Wang, C., Lin, Y., Wang, Y., Aksay, I. A., Liu, J. Electrochem. Commun. 2009, 11, 954-957. doi:10.1016/j.elecom.2009.02.033
27. Biddinger, E. J., Ozkan, U. S. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 15306-15314. doi:10.1021/jp104074t
28. Brandão, L., Passeira, C., Gattia, D. M., Mendes, A. J. Mater. Sci. 2011, 46, 7198-7205. doi:10.1007/s10853-010-4638-6
29. Shrestha, S., Mustain, W. E. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, B1665-B1672. doi:10.1149/1.3489412
30. Meng, Y., Gu, D., Zhang, F. Q., Shi, Y. F., Yang, H. F., Li, Z., Yu, C. Z., Tu, B., Zhao, D. Y. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 7053-7059. doi:10.1002/anie.200501561
31. Job, N., Maillard, F., Marie, J., Berthon-Fabry, S., Pirard, J.-P., Chatenet, M. J. Mater. Sci. 2009, 44, 6591-6600. doi:10.1007/s10853-009-3581-x
32. Smirnova, A., Dong, X., Hara, H., Vasiliev, A., Sammes, N. Int. J. Hydrogen Energy 2005, 30, 149-158. doi:10.1016/j.ijhydene.2004.04.014
33. Carroll, N. J., Pylypenko, S., Atanassov, P. B., Petsev, D. N. Langmuir 2009, 25, 13540-13544. doi:10.1021/la900988j
34. Fang, B., Kim, J. H., Lee, C., Yu, J.-S. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 639-645. doi:10.1021/jp710193s
35. Fang, B., Kim, J. H., Kim, M., Yu, J.-S. Chem. Mater. 2009, 21, 789-796. doi:10.1021/cm801467y
36. Banham, D., Feng, F., Fürstenhaupt, T., Ye, S., Birss, V. J. Mater. Chem. 2012, 22, 7164-7171. doi:10.1039/c2jm00137c
37. Wang, J., Swain, G. M. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, E24-E32. doi:10.1149/1.1524612
38. Fischer, A. E., Swain, G. M. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, B369-B375. doi:10.1149/1.1984367
39. Shrestha, S., Liu, Y., Mustain, W. E. Catal. Rev. - Sci. Eng. 2011, 53, 256-336. doi:10.1080/01614940.2011.596430
40. Meier, J. C., Katsounaros, I., Galeano, C., Bongard, H. J., Topalov, A. A., Kostka, A., Karschin, A., Schüth, F., Mayrhofer, K. J. J. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9319-9330. doi:10.1039/c2ee22550f
41. Zana, A., Speder, J., Roefzaad, M., Altmann, L., Bäumer, M., Arenz, M. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, F608-F615. doi:10.1149/2.078306jes
42. Nikkuni, F. R., Ticianelli, E. A., Dubau, L., Chatenet, M. Electrocatalysis 2013, 4, 104-116. doi:10.1007/s12678-013-0126-5
43. Mukerjee, S., Srinivasan, S. Handbook of Fuel Cells - Fundamentals, Technology and Applications; Wiley and Sons: Chichester, UK, 2003.
44. Ferreira, P. J., La O', G. J., Shao-Horn, Y., Morgan, D., Makharia, R., Kocha, S., Gasteiger, H. A. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A2256-A2271. doi:10.1149/1.2050347
45. Shao-Horn, Y., Ferreira, P. J., La O', G. J., Morgan, D., Gasteiger, H., Makharia, R. ECS Trans. 2006, 1, 185-195. doi:10.1149/1.2214553
46. Aragane, J., Urushibata, H., Murahashi, T. J. Appl. Electrochem. 1996, 26, 147-152. doi:10.1007/BF00364064
47. Ross, P. N., Petersen, E. E., Bell, A. T. Catalyst Deactivation; M. Dekker: New York, NY, USA, 1987.
48. Bett, J., Lundquist, J., Washington, E., Stonehart, P. Electrochim. Acta 1973, 18, 343-348. doi:10.1016/0013-4686(73)85002-9
49. Schlögl, K., Mayrhofer, K. J. J., Hanzlik, M., Arenz, M. J. Electroanal. Chem. 2011, 662, 355-360. doi:10.1016/j.jelechem.2011.09.003
50. Yaguchi, T., Kanemura, T., Shimizu, T., Imamura, D., Watabe, A., Kamino, T. J. Electron Microsc. 2012, 61, 199-206. doi:10.1093/jmicro/dfs041
51. Mayrhofer, K. J. J., Meier, J. C., Ashton, S. J., Wiberg, G. K. H., Kraus, F., Hanzlik, M., Arenz, M. Electrochem. Commun. 2008, 10, 1144-1147. doi:10.1016/j.elecom.2008.05.032
52. Mayrhofer, K. J. J., Ashton, S. J., Meier, J. C., Wiberg, G. K. H., Hanzlik, M., Arenz, M. J. Power Sources 2008, 185, 734-739. doi:10.1016/j.jpowsour.2008.08.003
53. Linse, N., Gubler, L., Scherer, G. G., Wokaun, A. Electrochim. Acta 2011, 56, 7541-7549. doi:10.1016/j.electacta.2011.06.093
54. Schulenburg, H., Schwanitz, B., Linse, N., Scherer, G. G., Wokaun, A., Krbanjevic, J., Grothausmann, R., Manke, I. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 14236-14243. doi:10.1021/jp203016u
55. Yasuda, K., Taniguchi, A., Akita, T., Ioroi, T., Siroma, Z. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 746-752. doi:10.1039/b514342j
56. Yasuda, K., Taniguchi, A., Akita, T., Ioroi, T., Siroma, Z. J. Electrochem. Soc. 2006, 153, A1599-A1603. doi:10.1149/1.2210590
57. Wang, Z.-B., Zuo, P.-J., Wang, X.-P., Lou, J., Yang, B.-Q., Yin, G.-P. J. Power Sources 2008, 184, 245-250. doi:10.1016/j.jpowsour.2008.06.037
58. Yoda, T., Uchida, H., Watanabe, M. Electrochim. Acta 2007, 52, 5997-6005. doi:10.1016/j.electacta.2007.03.049
59. Zhang, S., Yuan, X.-Z., Hin, J. N. C., Wang, H., Friedrich, K. A., Schulze, M. A. J. Power Sources 2009, 194, 588-600. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.06.073
60. Lee, J.-G., Lee, J., Tanaka, T., Mori, H. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 075504. doi:10.1103/PhysRevLett.96.075504
61. Simonsen, S. B., Chorkendorff, I., Dahl, S., Skoglundh, M., Sehested, J., Helveg, S. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7968-7975. doi:10.1021/ja910094r
62. Simonsen, S. B., Chorkendorff, I., Dahl, S., Skoglundh, M., Sehested, J., Helveg, S. J. Catal. 2011, 281, 147-155. doi:10.1016/j.jcat.2011.04.011
63. Yoshida, K., Xudong, Z., Bright, A. N., Saitoh, K., Tanaka, N. Nanotechnology 2013, 24, 065705. doi:10.1088/0957-4484/24/6/065705
64. Hodnik, N., Zorko, M., Jozinović, B., Bele, M., Dražič, G., Hočevar, S., Gaberšček, M. Electrochem. Commun. 2013, 30, 75-78. doi:10.1016/j.elecom.2013.02.012
65. Yu, Y., Xin, H. L., Hovden, R., Wang, D., Rus, E. D., Mundy, J. A., Muller, D. A., Abruña, H. D. Nano Lett. 2012, 12, 4417-4423. doi:10.1021/nl203920s
66. Hartl, K., Hanzlik, M., Arenz, M. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 234-238. doi:10.1039/C0EE00248H
67. Schlögl, K., Hanzlik, M., Arenz, M. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, B677-B682. doi:10.1149/2.035206jes
68. Perez-Alonso, F. J., Elkjaer, C. F., Shim, S. S., Abrams, B. L., Stephens, I. E. L., Chorkendorff, I. J. Power Sources 2011, 196, 6085-6091. doi:10.1016/j.jpowsour.2011.03.064
69. Dubau, L., Castanheira, L., Berthomé, G., Maillard, F. Electrochim. Acta 2013, 110, 237-281. doi:10.1016/j.electacta.2013.03.184
70. Liu, Z. Y., Zhang, J. L., Yu, P. T., Zhang, J. X., Makharia, R., More, K. L., Stach, E. A. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, B906-B913. doi:10.1149/1.3391737
71. Galeano, C., Meier, J. C., Peinecke, V., Bongard, H., Katsounaros, I., Topalov, A. A., Lu, A., Mayrhofer, K. J. J., Schüth, F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20457-20465. doi:10.1021/ja308570c
72. Paulus, U. A., Schmidt, T. J., Gasteiger, H. A., Behm, R. J. J. Electroanal. Chem. 2001, 495, 134-145. doi:10.1016/S0022-0728(00)00407-1
73. Schmidt, T. J., Gasteiger, H. A., Stab, G. D., Urban, P. M., Kolb, D. M., Behm, R. J. J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 2354-2358. doi:10.1149/1.1838642
74. van der Vliet, D., Strmcnik, D. S., Wang, C., Stamenkovic, V. R., Marković, N. M., Koper, M. T. M. J. Electroanal. Chem. 2010, 647, 29-34. doi:10.1016/j.jelechem.2010.05.016
75. Reiser, C. A., Bregoli, L., Patterson, T. W., Yi, J. S., Yang, J. D. L., Perry, M. L., Jarvi, T. D. Electrochem. Solid-State Lett. 2005, 8, A273-A276. doi:10.1149/1.1896466
76. Durst, J., Lamibrac, A., Charlot, F., Dillet, J., Castanheira, L. F., Maranzana, G., Dubau, L., Maillard, F., Chatenet, M., Lottin, O. Appl. Catal., B 2013, 138-139, 416-426. doi:10.1016/j.apcatb.2013.03.021
77. Cherstiouk, O. V., Simonov, P. A., Zaikovskii, V. I., Savinova, E. R. J. Electroanal. Chem. 2003, 554-555, 241-251. doi:10.1016/S0022-0728(03)00198-0
78. Maillard, F., Eikerling, M., Cherstiouk, O. V., Schreier, S., Savinova, E., Stimming, U. Faraday Discuss. 2004, 125, 357-377. doi:10.1039/b303911k
79. Arenz, M., Mayrhofer, K. J. J., Stamenkovic, V., Blizanac, B. B., Tomoyuki, T., Ross, P. N., Markovic, N. M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 6819-6829. doi:10.1021/ja043602h
80. Watanabe, M., Sei, H., Stonehart, P. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1989, 261, 375-387. doi:10.1016/0022-0728(89)85006-5
81. Makharia, R., Kocha, S., Yu, P., Sweikart, M. A., Gu, W., Wagner, F., Gasteiger, H. A. ECS Trans. 2006, 1, 3-18. doi:10.1149/1.2214540
82. Topalov, A. A., Katsounaros, I., Auinger, M., Cherevko, S., Meier, J. C., Klemm, S. O., Mayrhofer, K. J. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 12613-12615. doi:10.1002/anie.201207256
83. Stephens, I. E. L., Bondarenko, A. S., Grønbjerg, U., Rossmeisl, J., Chorkendorff, I. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6744-6762. doi:10.1039/c2ee03590a
84. Xia, B. Y., Wang, J. N., Teng, S. J., Wang, X. X. Chem.-Eur. J. 2010, 16, 8268-8274. doi:10.1002/chem.201000758
85. Reetz, M. T., Schulenburg, H., Lopez, M., Spliethoff, B., Tesche, B. Chimia 2004, 58, 896-899. doi:10.2533/000942904777677083
86. Rodríguez-Reinoso, F. Carbon 1998, 36, 159-175. doi:10.1016/S0008-6223(97)00173-5
87. Topalov, A. A., Katsounaros, I., Meier, J. C., Klemm, S. O., Mayrhofer, K. J. J. Rev. Sci. Instrum. 2011, 82, 114103. doi:10.1063/1.3660814
88. Mayrhofer, K. J. J., Ashton, S. J., Kreuzer, J., Arenz, M. Int. J. Electrochem. Sci. 2009, 4, 1-8.