Pt alloy oxygen-reduction electrocatalysts: Synthesis, structure, and property

doi:10.1016/S1872-2067(19)63407-8

Abstract

Abstract: Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered a promising power source for electric vehicles and stationary residential applications. However, current PEMFCs have several problems that require solutions, including high cost, insufficient power density, and limited performance durability. A kinetically sluggish oxygen reduction reaction (ORR) is primarily responsible for these issues. The development of advanced Pt-based catalysts is crucial for solving these problems if the large-scale application of PEMFCs is to be realized. In this review, we summarize the recent progress in the development of PtM alloy (M=Fe, Co, Ni, etc.) catalysts with an emphasis on ordered PtM intermetallic catalysts, which exhibit significantly enhanced activity and stability. In addition to exploring the intrinsic catalytic performance in traditional aqueous electrolytes via engineering nanostructures, morphologies, and crystallinity of PtM particles, we highlight recent efforts to study catalysts under real fuel cell environments by the membrane electrode assembly (MEA).

Key words: Proton exchange membrane fuel cell, Oxygen reduction reaction, Low Pt catalyst, Catalytic activity, Stability

Xiao Xia Wang, Joshua Sokolowski, Hui Liu, Gang Wu. Pt alloy oxygen-reduction electrocatalysts: Synthesis, structure, and property[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(5): 739-755.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(19)63407-8

https://www.cjcatal.com/EN/Y2020/V41/I5/739

References

[1] Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science, 2017, 355, 146.
[2] M. K. Debe, Nature, 2012, 486, 43-51.
[3] TOYOTA, Fuel Cell Vehicles, 2014, http://www.toyota.co.jp/jpn/tech/environment/fcv/index.html.
[4] D. Papageorgopoulos, Fuel Cells R&D Overview, 2018, https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review18/fc01_papageorgopoulos_2018_o.pdf.
[5] J. Kong, W. Cheng, Chin. J. Catal., 2017, 38, 951-969.
[6] Y. Nie, L. Li, Z. Wei, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 2168-2201.
[7] M. Shao, Q. Chang, J.-P. Dodelet, R. Chenitz, Chem. Rev., 2016, 116, 3594-3657.
[8] W. Wang, B. Lei, S. Guo, Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600236.
[9] Y.-J. Wang, W. Long, L. Wang, R. Yuan, A. Ignaszak, B. Fang, D.P. Wilkinson, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 258-275.
[10] H.-L. Liu, F. Nosheen, X. Wang, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 3056-3078.
[11] J. Wu, H. Yang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1848-1857.
[12] J. K. Nørskov, J. Rossmeisl, A. Logadottir, L. Lindqvist, J. R. Kitchin, T. Bligaard, H. Jónsson, J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 17886-17892.
[13] V. Stamenkovic, B. S. Mun, K. J. J. Mayrhofer, P. N. Ross, N. M. Markovic, J. Rossmeisl, J. Greeley, J. K. Nørskov, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 2897-2901.
[14] M. Luo, S. Guo, Nat. Rev. Mater., 2017, 2, 17059.
[15] L. Wang, Z. Zeng, W. Gao, T. Maxson, D. Raciti, M. Giroux, X. Pan, C. Wang, J. Greeley, Science, 2019, 363, 870-874.
[16] M. Gsell, P. Jakob, D. Menzel, Science, 1998, 280, 717-720.
[17] B. Hammer, J.K. Nørskov, Surf. Sci., 1995, 343, 211-220.
[18] M. Asano, R. Kawamura, R. Sasakawa, N. Todoroki, T. Wadayama, ACS Catal., 2016, 6, 5285-5289.
[19] V. R. Stamenkovic, B. S. Mun, M. Arenz, K. J. J. Mayrhofer, C. A. Lucas, G. Wang, P. N. Ross, N. M. Markovic, Nat. Mater., 2007, 6, 241-247.
[20] J. Greeley, I. E. L. Stephens, A. S. Bondarenko, T. P. Johansson, H. A. Hansen, T. F. Jaramillo, J. Rossmeisl, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, Nat. Chem., 2009, 1, 552-556.
[21] M. Escudero-Escribano, P. Malacrida, M. H. Hansen, U. G. Vej-Hansen, A. Velázquez-Palenzuela, V. Tripkovic, J. Schiøtz, J. Rossmeisl, I. E. L. Stephens, I. Chorkendorff, Science, 2016, 352, 73-76.
[22] S. C. Ball, S. L. Hudson, J. H. Leung, A. E. Russell, D. Thompsett, B. R. Theobald, ECS Trans., 2007, 11, 1247-1257.
[23] J. Hao, Y. Liu, W. Li, J. Li, Mater. Rep. (Cailiao Daobao), 2019, 33, 127-134.
[24] C. Cui, L. Gan, M. Heggen, S. Rudi, P. Strasser, Nat. Mater., 2013, 12, 765-771.
[25] L. Gan, M. Heggen, C. Cui, P. Strasser, ACS Catal., 2016, 6, 692-695.
[26] N. Todoroki, R. Kawamura, M. Asano, R. Sasakawa, S. Takahashi, T. Wadayama, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 11994-12004.
[27] V. R. Stamenkovic, B. Fowler, B. S. Mun, G. Wang, P. N. Ross, C. A. Lucas, N. M. Markovic, Science, 2007, 315, 493-497.
[28] S. Kobayashi, M. Wakisaka, D. A. Tryk, A. Iiyama, H. Uchida, J. Phys. Chem. C, 2017, 121, 11234-11240.
[29] S.-I. Choi, S. Xie, M. Shao, J. H. Odell, N. Lu, H.-C. Peng, L. Protsailo, S. Guerrero, J. Park, X. Xia, J. Wang, M. J. Kim, Y. Xia, Nano Lett., 2013, 13, 3420-3425.
[30] J. Wu, L. Qi, H. You, A. Gross, J. Li, H. Yang, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 11880-11883.
[31] J. Park, L. Zhang, S.-I. Choi, L. T. Roling, N. Lu, J. A. Herron, S. Xie, J. Wang, M. J. Kim, M. Mavrikakis, Y. Xia, ACS Nano, 2015, 9, 2635-2647.
[32] S.-I. Choi, R. Choi, S. W. Han, J. T. Park, Chem.-Eur. J., 2011, 17, 12280-12284.
[33] R. M. Arán-Ais, F. Dionigi, T. Merzdorf, M. Gocyla, M. Heggen, R. E. Dunin-Borkowski, M. Gliech, J. Solla-Gullón, E. Herrero, J. M. Feliu, P. Strasser, Nano Lett., 2015, 15, 7473-7480.
[34] X. Sun, K. Jiang, N. Zhang, S. Guo, X. Huang, ACS Nano, 2015, 9, 7634-7640.
[35] X. Huang, Z. Zhao, L. Cao, Y. Chen, E. Zhu, Z. Lin, M. Li, A. Yan, A. Zettl, Y. M. Wang, X. Duan, T. Mueller, Y. Huang, Science, 2015, 348, 1230-1234.
[36] H. Zhu, M.-C., Luo, Y.-Z. Cai, Z.-N. Sun, Acta Phys.-Chim. Sin., 2016, 32, 2462-2474.
[37] B. Corona, M. Howard, L. Zhang, G. Henkelman, J. Chem. Phys., 2016, 145, 244708.
[38] C. Wang, D. van der Vliet, K. L. More, N. J. Zaluzec, S. Peng, S. Sun, H. Daimon, G. Wang, J. Greeley, J. Pearson, A. P. Paulikas, G. Karapetrov, D. Strmcnik, N. M. Markovic, V. R. Stamenkovic, Nano Lett., 2011, 11, 919-926.
[39] X. Sun, D. Li, Y. Ding, W. Zhu, S. Guo, Z. L. Wang, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5745-5749.
[40] S. Zhang, Y. Hao, D. Su, V. V. T. Doan-Nguyen, Y. Wu, J. Li, S. Sun, C. B. Murray, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 15921-15924.
[41] X. Zhao, S. Chen, Z. Fang, J. Ding, W. Sang, Y. Wang, J. Zhao, Z. Peng, J. Zeng, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2804-2807.
[42] L.-L. Shen, G.-R. Zhang, S. Miao, J. Liu, B.-Q. Xu, ACS Catal., 2016, 6, 1680-1690.
[43] S. Cheong, J. D. Watt, R. D. Tilley, Nanoscale, 2010, 2, 2045-2053.
[44] D. S. He, D. He, J. Wang, Y. Lin, P. Yin, X. Hong, Y. Wu, Y. Li, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1494-1497.
[45] L. Zhang, L.T. Roling, X. Wang, M. Vara, M. Chi, J. Liu, S.-I. Choi, J. Park, J.A. Herron, Z. Xie, M. Mavrikakis, Y. Xia, Science, 2015, 349, 412-416.
[46] X. Wang, L. Figueroa-Cosme, X. Yang, M. Luo, J. Liu, Z. Xie, Y. Xia, Nano Lett., 2016, 16, 1467-1471.
[47] X. Peng, S. Zhao, T. J. Omasta, J. M. Roller, W. E. Mustain, Appl. Catal. B, 2017, 203, 927-935.
[48] C. Chen, Y. Kang, Z. Huo, Z. Zhu, W. Huang, H. L. Xin, J. D. Snyder, D. Li, J. A. Herron, M. Mavrikakis, M. Chi, K.L. More, Y. Li, N. M. Markovic, G. A. Somorjai, P. Yang, V. R. Stamenkovic, Science, 2014, 343, 1339-1343.
[49] S. Guo, D. Li, H. Zhu, S. Zhang, N. M. Markovic, V. R. Stamenkovic, S. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 3465-3468.
[50] L. Su, S. Shrestha, Z. Zhang, W. Mustain, Y. Lei, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 12293-12301.
[51] H. Zhu, S. Zhang, S. Guo, D. Su, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 7130-7133.
[52] N. N. Kariuki, W. J. Khudhayer, T. Karabacak, D. J. Myers, ACS Catal., 2013, 3, 3123-3132.
[53] L. Bu, J. Ding, S. Guo, X. Zhang, D. Su, X. Zhu, J. Yao, J. Guo, G. Lu, X. Huang, Adv. Mater., 2015, 27, 7204-7212.
[54] M. Luo, Y. Sun, X. Zhang, Y. Qin, M. Li, Y. Li, C. Li, Y. Yang, L. Wang, P. Gao, G. Lu, S. Guo, Adv. Mater., 2018, 30, 1705515.
[55] M. Li, Z. Zhao, T. Cheng, A. Fortunelli, C.-Y. Chen, R. Yu, Q. Zhang, L. Gu, B. V. Merinov, Z. Lin, E. Zhu, T. Yu, Q. Jia, J. Guo, L. Zhang, W. A. Goddard, Y. Huang, X. Duan, Science, 2016, 354, 1414-1419.
[56] E. Antolini, Appl. Catal. B, 2017, 217, 201-213.
[57] E. Casado-Rivera, D. J. Volpe, L. Alden, C. Lind, C. Downie, T. Vázquez-Alvarez, A. C. Angelo, F. J. Disalvo, H. D. Abruña, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 4043-4049.
[58] C. Frommen, H. Rösner, Mater. Lett., 2004, 58, 123-127.
[59] S. Koh, M. F. Toney, P. Strasser, Electrochim. Acta, 2007, 52, 2765-2774.
[60] J. Liang, Z. Miao, F. Ma, R. Pan, X. Chen, T. Wang, H. Xie, Q. Li, Chin. J. Catal., 2018, 39, 583-589.
[61] M. Luo, Y. Sun, L. Wang, S. Guo, Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602073.
[62] W. Xiao, W. Lei, M. Gong, H. L. Xin, D. Wang, ACS Catal., 2018, 8, 3237-3256.
[63] W. S. Jung, B. N. Popov, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 23679-23686.
[64] D. S. Choi, A. W. Robertson, J. H. Warner, S. O. Kim, H. Kim, Adv. Mater., 2016, 28, 7115-7122.
[65] Y. Cai, P. Gao, F. Wang, H. Zhu, Electrochim. Acta, 2017, 245, 924-933.
[66] L. Bu, S. Guo, X. Zhang, X. Shen, D. Su, G. Lu, X. Zhu, J. Yao, J. Guo, X. Huang, Nat. Commun., 2016, 7, 11850.
[67] X. X. Du, Y. He, X. X. Wang, J. N. Wang, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 2623-2632.
[68] D. Wang, Y. Yu, H. L. Xin, R. Hovden, P. Ercius, J. A. Mundy, H. Chen, J. H. Richard, D. A. Muller, F. J. Disalvo, Nano Lett., 2012, 12, 5230-5238.
[69] D. Wang, Y. Yu, J. Zhu, S. Liu, D. A. Muller, H. D. Abruña, Nano Lett., 2015, 15, 1343-1348.
[70] B. Arumugam, B. Kakade, T. Tamaki, M. Arao, H. Imai, T. Yamaguchi, RSC Adv., 2014, 4, 27510-27517.
[71] T. Tamaki, A. Minagawa, B. Arumugam, B. A. Kakade, T. Yamaguchi, J. Power Sources, 2014, 271, 346-353.
[72] B. C. Beard, P. N. Ross, J. Electrochem. Soc., 1990, 137, 3368-3374.
[73] M. Watanabe, K. Tsurumi, T. Mizukami, T. Nakamura, P. Stonehart, J. Electrochem. Soc., 1994, 141, 2659-2668.
[74] X. Li, L. An, X. Wang, F. Li, R. Zou, D. Xia, J. Mater. Chem., 2012, 22, 6047-6052.
[75] H. Schulenburg, E. Müller, G. Khelashvili, T. Roser, H. Bönnemann, A. Wokaun, G. G. Scherer, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4069-4077.
[76] Y. Wang, D. Sun, T. Chowdhury, J. S. Wagner, T. J. Kempa, A. S. Hall, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2342-2347.
[77] J. Kim, Y. Lee, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 4996-4997.
[78] J. Kim, C. Rong, Y. Lee, J. P. Liu, S. Sun, Chem. Mater., 2008, 20, 7242-7245.
[79] Q. Li, L. Wu, G. Wu, D. Su, H. Lv, S. Zhang, W. Zhu, A. Casimir, H. Zhu, A. Mendoza-Garcia, S. Sun, Nano Lett., 2015, 15, 2468-2473.
[80] H. Chen, D. Wang, Y. Yu, K. A. Newton, D. A. Muller, H. Abruña, F. J. DiSalvo, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18453-18459.
[81] H. Chen, Y. Yu, H. L. Xin, K. A. Newton, M. E. Holtz, D. Wang, D. A. Muller, H. D. Abruña, F. J. DiSalvo, Chem. Mater., 2013, 25, 1436-1442.
[82] Z. Cui, H. Chen, W. Zhou, M. Zhao, F. J. DiSalvo, Chem. Mater., 2015, 27, 7538-7545.
[83] D. Y. Chung, S. W. Jun, G. Yoon, S. G. Kwon, D. Y. Shin, P. Seo, J. M. Yoo, H. Shin, Y.-H. Chung, H. Kim, B. S. Mun, K.-S. Lee, N.-S. Lee, S. J. Yoo, D.-H. Lim, K. Kang, Y.-E. Sung, T. Hyeon, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 15478-15485.
[84] R. R. Adzic, J. Zhang, K. Sasaki, M. B. Vukmirovic, M. Shao, J. X. Wang, A. U. Nilekar, M. Mavrikakis, J. A. Valerio, F. Uribe, Top. Catal., 2007, 46, 249-262.
[85] T. Ghosh, M. B. Vukmirovic, F. J. DiSalvo, R. R. Adzic, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 906-907.
[86] G. Wang, B. Huang, L. Xiao, Z. Ren, H. Chen, D. Wang, H. D. Abruña, J. Lu, L. Zhuang, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 9643-9649.
[87] Q. Jia, K. Caldwell, D. E. Ramaker, J. M. Ziegelbauer, Z. Liu, Z. Yu, M. Trahan, S. Mukerjee, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 20496-20503.
[88] J. Li, Z. Xi, Y.-T. Pan, J.S. Spendelow, P. N. Duchesne, D. Su, Q. Li, C. Yu, Z. Yin, B. Shen, Y. S. Kim, P. Zhang, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2926-2932.
[89] J. Li, S. Sharma, X. Liu, Y.-T. Pan, J. S. Spendelow, M. Chi, Y. Jia, P. Zhang, D. A. Cullen, Z. Xi, H. Lin, Z. Yin, B. Shen, M. Muzzio, C. Yu, Y. S. Kim, A. A. Peterson, K. L. More, H. Zhu, S. Sun, Joule, 2018, 3, 124-135.
[90] W. Yang, L. Zou, Q. Huang, Z. Zou, Y. Hu, H. Yang, J. Electrochem. Soc., 2017, 164, H331-H337.
[91] D. Wang, H. L. Xin, R. Hovden, H. Wang, Y. Yu, D. A. Muller, F. J. DiSalvo, H. D. Abruña, Nat. Mater., 2013, 12, 81-87.
[92] S. Prabhudev, M. Bugnet, C. Bock, G.A. Botton, ACS Nano, 2013, 7, 6103-6110.
[93] L. Bu, N. Zhang, S. Guo, X. Zhang, J. Li, J. Yao, T. Wu, G. Lu, J.-Y. Ma, D. Su, X. Huang, Science, 2016, 354, 1410-1414.
[94] L. Bu, Q. Shao, B. E, J. Guo, J. Yao, X. Huang, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9576-9582.
[95] Z. Yu, J. Zhang, Z. Liu, J. M. Ziegelbauer, H. Xin, I. Dutta, D. A. Muller, F. T. Wagner, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 19877-19885.
[96] X.-Y. Lang, G.-F. Han, B.-B. Xiao, L. Gu, Z.-Z. Yang, Z. Wen, Y.-F. Zhu, M. Zhao, J.-C. Li, Q. Jiang, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 230-237.
[97] J. S. Spendelow, U.S. DOE 2018 Hydrogen and Fuel Cell Program AMR Proceedings, https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/re-view18/fc161_spendelow_2018_o.pdf, (2018).
[98] B. Han, C. E. Carlton, A. Kongkanand, R. S. Kukreja, B. R. Theobald, L. Gan, R. O'Malley, P. Strasser, F. T. Wagner, Y. Shao-Horn, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 258-266.
[99] L. Chong, J. Wen, J. Kubal, F. G. Sen, J. Zou, J. Greeley, M. Chan, H. Barkholtz, W. Ding, D.-J. Liu, Science, 2018, 362, 1276-1281.
[100] M. Gummalla, S. C. Ball, D. A. Condit, S. Rasouli, K. Yu, P. J. Ferreira, D. J. Myers, Z. Yang, Catalysts, 2015, 5, 926-948.
[101] Q. Jia, K. Caldwell, K. Strickland, J. M. Ziegelbauer, Z. Liu, Z. Yu, D. E. Ramaker, S. Mukerjee, ACS Catal., 2015, 5, 176-186.
[102] H. Y. Kim, S. Cho, Y. J. Sa, S. M. Hwang, G. G. Park, T. J. Shin, H. Y. Jeong, S. D. Yim, S. H. Joo, Small, 2016, 12, 5347-5353.
[103] X. X. Wang, S. Hwang, Y.-T. Pan, K. Chen, Y. He, S. Karakalos, H. Zhang, J. S. Spendelow, D. Su, G. Wu, Nano Lett., 2018, 18, 4163-4171.
[104] S. Guo, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2492-2495.
[105] M. Chen, S. Hwang, J. Li, S. Karakalos, K. Chen, Y. He, S. Mukherjee, D. Su, G. Wu, Nanoscale, 2018, 10, 17318-17326.
[106] S. Sui, X. Wang, X. Zhou, Y. Su, S. Riffat, C.-J. Liu, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 1808-1825.
[107] N. Du, C. Wang, R. Long, Y. Xiong, Nano Res., 2017, 10, 3228-3237.
[108] B. Y. Guan, X. Y. Yu, H. B. Wu, X. W. Lou, Adv. Mater., 2017, 29, 1703614.
[109] V. Yarlagadda, M. K. Carpenter, T. E. Moylan, R. S. Kukreja, R. Koestner, W. Gu, L. Thompson, A. Kongkanand, ACS Energy Lett., 2018, 3, 618-621.