Toward Highly Stable Electrocatalysts via Nanoparticle Pore

Report 5 Downloads 66 Views
Toward Highly Stable Electrocatalysts via Nanoparticle Pore Confinement   Carolina Galeanoa‡ ,Josef C. Meierb,c‡, Volker Peinecked, Hans Bongarda, Ioannis  Katsounarosb, Angel A. Topalovb,c, Anhui Lue, Karl J.J. Mayrhoferb*, Ferdi Schütha*    a)Department of Heterogeneous Catalysis, Max‐Planck‐Institut für Kohlenforschung,Kaiser‐Wilhelm‐ Platz 1, 45470 Mülheim an der Ruhr, Germany  b)Department of Interface Chemistry and Surface Engineering, Max‐Planck‐Institut für Eisenforschung  GmbH, Max‐Planck‐Strasse 1, 40237 Düsseldorf, Germany   c)Center for Electrochemical Sciences, Ruhr‐Universität Bochum, Universitätsstrasse 150, 44780  Bochum, Germany  d)The fuel cell research center ZBT GmbH, Carl‐Benz‐Straße 201, 47057 Duisburg, Germany  e)State Key Laboratory of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Linggong Road No.2, Dalian  116024, P.R. China 

Supporting information    Material preparation    Synthesis of solid core‐mesoporous shell silica exotemplate (SCMS)1     A  typical  synthesis  of  10  g  of  SCMS  silica  spheres  is  as  follows.  32.9  mL  of  aqueous  ammonia (28%) is mixed with 500 g of ethanol and 120 mL of deionized water. After  stirring  for  ca.  10  min,  23.6  mL  of  tetraethoxysilane  (TEOS,  98%)  are  added,  and  the  reaction mixture is stirred for ca. 1 h. Afterwards, a mixture solution containing 14.1 mL  of  TEOS  and  5.7  mL  of  octadecyltrimethoxysilane  (ODTMS,  90%  tech.)  is  drop‐wise  added  (for  ca.  20  min)  to  the  colloidal  solution  containing  the  silica  spheres  and  further reacted for 5 h without stirring. The resulting SCMS spheres are separated from  S1 

the  solution  by  centrifugation,  dried  at  75°C  overnight  and  further  calcined  at  550°C  under air atmosphere to produce the final uniform spherical SCMS particles.    Comparison materials    The  comparison  material  Pt/Vulcan  (20  wt.%)  is  prepared  by  colloidal  deposition  of  pre‐synthesized  Pt  nanoparticles  on  commercial  Vulcan  support.  The  synthesis  and  characterization details of this material can be found in our previous publication.2      

Material characterization    High resolution transmission electron microscopy (HR‐TEM) images were obtained on  a  HF‐2000  microscope  equipped  with  a  cold  field  emitter  (CFE)  and  operated  at  a  maximum  acceleration  voltage  of  200  kV.  Typically,  the  samples  were  placed  on  a  Lacey  carbon  film  supported  by  a  copper  grid.  Solid  samples  were  deposited  on  the  Lacey carbon film without previous dissolution.   High  resolution  scanning  electron  microscopy  (HR‐SEM)  and  scanning  transmission  electron  microscopy  (STEM)  micrographs  were  collected  on  a  Hitachi  S‐5500  ultra‐ high resolution cold field emission scanning electron microscope. The instrument was  operated at a maximum acceleration voltage of 30 kV. The samples were prepared on  Lacey carbon films supported on a 400 mesh copper grid. The use of Duo‐STEM Bright  Field/Dark Field detector together with the secondary electron (SE) detector geometry  allows  simultaneous  imaging  of  surface  morphologies  in  scan  mode,  and  dark  field/bright field imaging in transmission mode.  The same HR‐SEM/STEM microscope  was  used  for  the  identical  location  SEM/STEM  experiments.  To  obtain  the  cross‐ sectional cuttings, the Pt@HGS material was embedded in Spurr‐resin (a low‐viscosity  epoxy  resin  embedding  medium  for  electron  microscopy)  and  then  subjected  to  the  cutting procedure in an ultramicrotome (Reichert Ultracut) equipped with a diamond  knife. The resulting slices of the composite present a thickness of ca. 30‐50 nm.  Nitrogen  sorption  measurements  were  carried  out  on  a  Micrometrics  ASAP  2010  instrument. Prior to analysis, the silica exotemplate was activated under vacuum for at  S2 

least 8 h and the HGS for at least 15 h at 250°C. The measurements were performed at ‐ 196°C  using  a  static‐volumetric  method.  The  empty  volume  was  determined  with  nitrogen. The BET surface area was calculated from the adsorption data in the relative  pressure interval from 0.04 to 0.2. The pore size distribution was estimated by the BJH  (Barrett‐Joyner‐Halenda) method from the adsorption branch (desorption data, which  are  normally  recommended  by  IUPAC  for  BJH  analysis,  may  be  influenced  by  the  tensile strength effect, see Figure SI‐3). The total pore volume was estimated from the  amount of nitrogen adsorbed at a relative pressure of 0.97.  In‐situ X‐ray powder diffraction (XRD) data were collected in reflection geometry on a  Bragg Brentano diffractometer (X’Pert PRO, PANalytical) equipped with an Anton Paar  XRK900 high‐temperature reaction chamber and a CuKα1,2 radiation source (40 kV, 40  mA) with the following slit configuration: primary and secondary soller slits 0.04 rad,  divergence  slit  0.5°,  anti‐scatter  slits  1°.  Instead  of  a  monochromator,  a  secondary  Ni  filter  was  inserted  before  a  position  sensitive  real  time  multi  strip  detector  (X'Celerator, 2.12° 2 active length). The reaction chamber is equipped with a Marcor®  sample  holder  (6‐10  mm  diameter).  The  sample  is  prepared  on  a  sieve  plate  (10  mm  diameter, 1 mm depth) which allows the protective gas to flow through the sample and  leave  the  chamber  through  an  exhaust  pipe.  Measurements  were  taken  under  100%  nitrogen  flow.  The  samples  were  heated  with  a  heating  rate  of  5  °C  min‐1.  After  reaching the appropriate temperature, the waiting time before starting data collection  was set to 30 min. Data were collected in the range between 20 and 90° 2. The sample  was kept for 3 h at 850°C before starting the measurement.  Room temperature XRD patterns were collected with a Bragg Brentano diffractometer  (STOE  THETA/THETA).  The  instrument  is  equipped  with  a  secondary  graphite  monochromator  (CuKα1,2  radiation)  and  a  proportional  gas  detector.  The  divergence  slit was set to 0.8°, the receiving slit was set to 0.8 mm, and the width of the horizontal  mask was 4 mm. The samples were prepared on a background free single crystal quartz  sample holder.   Thermal  stability  of  HGS  was  investigated  by  TG‐DTA  using  a  Netzsch  STA  449C  thermal  analyzer  by  increasing  the  temperature  from  25°C  to  1000°C  with  a  heating  rate  of  10  °C  min‐1  in  air  flow  of  ca.  60  mL  min‐1.  For  the  determination  of  the  Pt  content, Pt@HGS and Pt/Vulcan where heated to 1000°C with a heating rate of 20 °C  S3 

min‐1 in air flow of ca. 60 mL min‐1. The silica content determined for the support alone  is subtracted from the residual mass and the resulting mass is considered to be Pt.   The  Raman  spectra  were  recorded  with  a  HORIBA  Jobin  Yvon  spectrometer.  A  laser  operating at a wavelength of 632.8 nm was used as radiation source.      

Electrochemical characterization    Ex‐situ half cell measurements    The  catalyst  powders  were  dispersed  ultrasonically  in  ultrapure  water  (18  MΩ,  Millipore®)  for  at  least  45  minutes  initially  and  again  for  at  least  10  minutes  prior  to  pipetting onto the glassy carbon discs (5 mm diameter, 0.196 cm² geometrical surface  area).  The  catalysts  were  dried  in  air  or  under  mild  vacuum.  The  electrochemical  measurements  were  conducted  at  room  temperature  in  a  150 mL  Teflon  three‐ compartment  electrochemical  cell,  using  a  rotating  disk  electrode  (RDE)  setup,  a  Gamry  Reference  600  potentiostat  and  a  Radiometer  Analytical  rotation  controller.  The  potentiostat,  the  rotator  and  the  gas  flow  were  automatically  regulated  using  an  in‐house‐developed LabVIEW software.3 A graphite rod was employed as the counter  electrode, and a saturated Ag/AgCl Electrode (Metrohm) served as reference. However,  all  potentials  are  given  with  respect  to  the  reversible  hydrogen  electrode  potential  (RHE),  which  was  experimentally  determined  for  each  measurement.  The  reference  electrode  compartment  was  separated  from  the  main  compartment  with  a  Nafion  membrane  to  avoid  contamination  with  chlorides  during  activity  and  stability  tests.  Both  activity  and  stability  measurements  were  performed  in  0.1  M  HClO4.  The  electrolyte  was  prepared  with  ultrapure  water  and  conc.  HClO4  (Merck,  Suprapur).  Solution  resistance  was  compensated  for  in  all  electrochemical  measurements  via  positive  feedback.  The  residual  uncompensated  resistance  was  less  than  4Ω  in  all  experiments.  Activity  measurements  were  performed  for  different  amounts  of  catalyst  for  each  material at the working electrode. Loadings were in the range of 5 to 30 µgPt cm‐2 at the  electrode  in  order  to  obtain  thin  and  well  dispersed  catalyst  films.  The  catalyst  S4 

materials were subjected to cleaning cycles before activity measurements until a stable  cyclovoltammogram  was  obtained.  This  procedure  was  extended  for  the  Pt@HGS  catalyst to typically 200 cleaning cycles (0.05 ‐ 1.35 VRHE, 0.2 V s‐1) for removal of carbon  impurities, prior to determination of SA and ECSA. The general guidelines for activity  measurements  were  followed  as  described  previously.4  Specific  activities  were  calculated from the anodic scan of RDE polarization curves at 0.9 VRHE, a rotation rate  of 1600 rpm and a scan rate of 50 mV s‐1. In order to isolate current related to oxygen  reduction, the RDE polarization curves were corrected for capacitive processes. For this  purpose a cyclovoltammogram recorded with the same scan rate and potential window  but in argon saturated solution was subtracted from the oxygen reduction polarization  curves.  The  surface  area  was  determined  via  electrochemical  oxidation  of  adsorbed  carbon monoxide (CO‐stripping). In each CO‐stripping experiment, carbon monoxide  was  adsorbed  on  the  catalyst  in  a  potential  region  (e.g.  0.05  VRHE)  at  which  no  CO  oxidation occurs, until the saturation coverage was reached. Afterwards the electrolyte  is purged with argon again until all remaining carbon monoxide is removed from the  electrolyte,  while  the  same  potential  is  held.  Finally,  pre‐adsorbed  CO  is  oxidized  electrochemically  and  the  charge  corresponding  to  the  CO  oxidation  is  measured  by  the area of the oxidation peak. A more detailed description of general features of CO‐ stripping curves as seen in Figure 4a can be found in the literature.2 The mass activity  was  calculated  based  on  the  specific  activity  and  electrochemical  active  surface  area  (ECSA),  which  was  determined  independently  with  several  CO‐stripping  experiments  for at least three different catalyst loadings at the working electrode.                   

S5 

Supporting figure 1. Thermo gravimetric analysis (TGA) in air with heating rate of 10  °C  min‐1  of:  amorphous  hollow  carbon  spheres  (black  curve)  and  hollow  graphitic  spheres after graphitization process with Fe3+ (red curve).     

    Supporting  figure  2.  Nitrogen  sorption  isotherms  of  solid  core–mesoporous  shell  (SCMS)  silica  exotemplate  (green  curve)  and  hollow  graphitic  spheres  (HGS)  replica  (blue curve).   

     

S6 

Supporting figure 3. BHJ pore size distributions of SCMS silica exotemplate and HGS:  A)  adsorption  branch  and  B)  desorption  branch.  The  pore  size  distribution  obtained  from the desorption data may be influenced by the tensile strength effect.    

  

 

  Supporting figure 4. Particle size distributions of Pt@HGS: before and after thermal  treatment  from  25°C  to  850°C.  Thermal  treatment  carried  out  under  in‐situ  XRD  measurement conditions. 

               

S7 

Supporting  figure  5.  Degradation  curves  of  Pt/Vulcan  and  Pt@HGS  (as  provided  in  the main text figure 4b) with error bars as resulting from the CO‐stripping surface area  determination.  

    Supporting  figure  6.  The  IL‐TEM  images  of  the  Pt/Vulcan  reference  catalyst  before  (A)  and  after  (B)  3600  degradation  cycles  between  0.4  and  1.4  VRHE  (Scan  rate:  1 Vs‐1;  room  temperature;  no  rotation;  in  0.1 M  HClO4)  provides  clear  proof  of  particle  growth.    

   

S8 

The degradation behavior of this catalyst was also previously studied and compared to  other catalysts in the literature.2,5 Even though the catalyst shows an overlap of several  degradation mechanisms (particle growth, dissolution, particle detachment and carbon  corrosion  were  clearly  observed  at  some  catalyst  locations;  not  shown  here,  for  more  details see ref.2) under the applied, aggressive start‐stop conditions the vast majority of  all  catalyst  locations  suffers  from  severe  particle  growth  as  shown  in  this  IL‐TEM  micrograph  within  the  first  3600  degradation  cycles.  Especially  the  formation  of  “string‐shaped”,  “L‐shaped”  or  “T‐shaped”  clusters  was  observed,  which  is  a  strong  indication  of  agglomeration.2,5  Furthermore  “necking”  (meaning  the  presence  of  a  “bridge”  with  a  lower  diameter  connecting  two  platinum  particles)  was  seen  for  this  catalyst  after  the  electrochemical  degradation  test.2  Besides  of  this  an  increase  in  average  particle  size  and  a  tail  towards  larger  particle  sizes  in  the  particle  size  distribution  after  the  degradation  test  are  further  indications  that  agglomeration  is  playing  a  crucial  role  for  the  Pt/Vulcan  catalyst  under  start/stop  conditions.  A  more  quantitative analysis of the change in particle size distribution is provided in the main  text in figure 6 for a typical catalyst location. The observation that agglomeration is a  degradation  mechanism  of  major  importance  during  start/stop  conditions  was  also  demonstrated  in  other  IL‐TEM  or  IL‐Tomography  studies  for  Pt  or  Pt‐alloys  on  different types of carbon supports.6‐8                           

S9 

Supporting  figure  7.  The  IL‐TEM  images  of  the  Pt/Vulcan  reference  catalyst  were  recorded  after  0  (A,  C)  and  after  5000  (B,  D)  degradation  cycles  between  0.4  and  1.4 VRHE (Scan rate: 1 Vs‐1; room temperature; no rotation; in 0.1 M HClO4).   

    The IL‐TEM images of the Pt/Vulcan reference catalyst were recorded for the pristine  state  (A,  C)  and  after  5000  (B,  D)  degradation  cycles  between  0.4  and  1.4 VRHE  (Scan  rate:  1 Vs‐1;  room  temperature;  no  rotation;  in  0.1 M  HClO4).  Blue  arrows  highlight  some examples of particles, which clearly become smaller during the degradation test  and  such  provide  clear  proof  for  dissolution  to  occur.  The  red  circle  highlights  a  platinum particle, which is observed next to the carbon support on the coating of the  TEM  grid  after  the  aging  test,  indicating  particle  detachment.  Green  circles  highlight  S10 

regions where particle growth can clearly be observed after the degradation test. The  shape of some of the formed larger platinum particles as seen after the electrochemical  aging test points towards an agglomeration mechanism as parts of the original shapes  of former individual particles can still be identified. A more quantitative investigation  of the particle size distributions in the pristine state and after 5000 degradation cycles  is depicted in supporting figure 9.      Supporting figure 8. The IL‐TEM images of the Pt@HGS catalyst were recorded after  0 (A, C) and after 5000 (B, D) degradation cycles between 0.4 and 1.4 VRHE (Scan rate:  1 Vs‐1; room temperature; no rotation; in 0.1 M HClO4).   

 

S11 

C  and  D  are  magnifications  of  the  rectangular  sections  marked  in  A  and  B.  A  first  qualitative  evaluation  of  the  images  clearly  shows  that  no  particle  growth  is  taking  place,  whereas  the  total  number  of  platinum  particles  slightly  decreases.  A  more  quantitative  investigation  of  the  particle  size  distributions  in  the  pristine  state  and  after 5000 degradation cycles is depicted in supporting figure 9.    Supporting  figure  9.  Corresponding  particle  size  distributions  of  Pt/Vulcan  and  Pt@HGS for representative identical catalyst locations of both materials.   

    The  particle  size  distributions  were  obtained  from  IL‐TEM  of  the  pristine  state  and  after  5000  degradation  cycles  between  0.4  and  1.4 VRHE  (Scan  rate:  1 Vs‐1;  room  temperature; no rotation; in 0.1 M HClO4). Because the particles are not spherical, the  shape was approximated by ellipses. A diameter corresponding to an ideal sphere was  calculated  for  every  single  particle  from  the  area  obtained  from  the  ellipse,  and  this  was used to calculate the average spherical diameter. The dots in the graphs reflect the  counts per particle diameter, while the lines are intended as a guide to the eye.   The  visual  indications  for  agglomeration  as  observed  for  the  Pt/Vulcan  from  the  IL‐ TEM  images  (See  supporting  figure  7)  are  confirmed  by  the  quantitative  evaluation.  The tail in the particle size distribution towards larger particle sizes, which was already  observed after 3600 degradation cycles can also be seen after 5000 degradation cycles  indicating  agglomeration.  While  the  total  number  of  particles  strongly  decreases  an 

S12 

increase in the number of small particles can be observed after 5000 degradation cycles  confirming dissolution as an important degradation mechanism.   In contrast to the Pt/Vulcan catalyst, Pt@HGS does not show any increase in particle  size  after  3600  degradation  cycles  (see  main  article  figure  6)  and  also  not  after  5000  degradation  cycles.  This  proves  that  no  significant  agglomeration  is  taking  place  for  this  catalyst  material.  The  total  loss  in  particles  is  also  much  less  pronounced,  which  can  be  seen  as  an  indication  that  detachment  is  reduced  for  the  Pt@HGS  catalyst.   While for Pt/Vulcan at several locations detached particles are observed on the coating  of  the  TEM  grid,  this  was  never  observed  for  Pt@HGS,  which  is  a  further  indication  that detachment does  not play a  pronounced role here. However,  as observable from  the  decrease  in  average  particle  size  and  from  the  increase  of  the  amount  of  smaller  particles, dissolution seems to be present also for the Pt@HGS material. Compared to  the  reference  Pt/Vulcan  catalyst,  agglomeration  and  detachment  of  metal  nanoparticles is strongly reduced for the Pt@HGS catalyst by pore confinement, while  dissolution was found to be present for both materials.      

References  (1)  Büchel, G.; Unger, K. K.; Matsumoto, A.; Tsutsumi, K. Adv. Mater. 1998, 10, 1036  (2)  Meier,  J.  C.;  Galeano,  C.;  Katsounaros,  I.;  Topalov,  A.  A.;  Kostka,  A.;  Schüth,  F.;  Mayrhofer, K. J. J. ACS Catal. 2012, 832  (3)  Topalov, A. A.; Katsounaros, I.; Meier, J. C.; Klemm, S. O.; Mayrhofer, K. J. J. Rev.  Sci. Instrum. 2011, 82, 114103  (4)  Mayrhofer,  K.  J.  J.;  Strmcnik,  D.;  Blizanac,  B.  B.;  Stamenkovic,  V.;  Arenz,  M.;  Markovic, N. M. Electrochim. Acta 2008, 53, 3181  (5)  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  (6)  Schlögl, K.; Hanzlik, M.; Arenz, M. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, B677  (7)  Hartl, K.; Hanzlik, M.; Arenz, M. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 234  (8)  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 

S13