Study on Preparation and Accessibility of Hierarchical Porous Carbon Supported Platinum Catalyst

doi:10.7503/cjcu20210853

Abstract

Abstract:

In last decade， hierarchical porous carbon has been one of the choices of platinum-based catalysts supports for oxygen reduction. A simple rotating disk electrode（RDE） proves that this type of catalyst exhibits excellent oxygen reduction activity， but almost all of them lack membrane electrodes（MEA） verification， and the performance practicability cannot be guaranteed. In this paper， a polyaniline-based hierarchical porous carbon（NHPC） platinum-supported catalyst（Pt/NHPC850） was designed and prepared. Taking this as an example， the oxygen reduction activity， MEA proton transport and oxygen transport were studied in detail characteristics. RDE test research shows that the specific activity of Pt/NHPC850 catalyst at low I/C（mass ratio of ionomer to carbon support） is lower than that of solid carbon supported Pt catalyst（Pt/XC-72）. However， when the I/C increases to the same level as the membrane electrode， the specific activity of Pt/NHPC850 catalyst is better than that of Pt/XC-72 due to the enhanced poisoning effect of Nafion resin on the Pt catalyst. The high Pt dispersibility of Pt/NHPC850 catalyst and its excellent resistance to Nafion poisoning make its mass activity at an I/C of 0.8 to be 1.34 times that of Pt/XC-72 catalyst. The proton transport study of MEA shows that even under high humidification， the proton resistivity of Pt/NHPC850 is 72.6 mΩ·cm²， which is three times that of Pt/XC-72. The polarization curve of the membrane electrode prepared by Pt/NHPC850 declines rapidly at a current density of 500 mA/cm². The oxygen gain voltage of Pt/NHPC850 reaches 144.4 mV， which is 56.7 mV higher than Pt/XC-72， indicating that the Pt/NHPC850 membrane electrode presents poor oxygen transport performance. The RDE and MEA evaluations of the Pt/NHPC850 catalyst show that although the platinum-carbon catalyst with hierarchical porous carbon as support has improved resistance to Nafion poisoning， it has poor transport properties for protons and oxygen. This type of hierarchical porous carbon needs to be further optimized to meet the application requirements of low platinum polymer exchange membrane fuel cells（PEMFCs）.

Key words: Hierarchical porous carbon, Accessible catalyst, Polymer exchange membrane fuel cells

CLC Number:

O646

TrendMD:

LUO Bian, ZHOU Fen, PAN Mu. Study on Preparation and Accessibility of Hierarchical Porous Carbon Supported Platinum Catalyst[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(4): 20210853.

Figures/Tables 8

Table 1 ICP-OES tests of Pt/XC-72 and Pt/NHPC850 catalysts

Catalyst	Sample mass/g	Chemical element	Constant volume/mL	Concentration/（mg·L^-1）	w（%） of Pt
Pt/XC?72	0.02	Pt	25	130.16	16.27
Pt/NHPC850	0.02	Pt	25	137.6	17.2

Table 2 Electrochemical properties of Pt/XC-72 and Pt/NHPC850 electrodes with different I/C

Catalyst	ECSA/（m²· $g P t - 1$ ）			SA/（μA· $c m P t - 2$ ）			MA/（mA· $m g P t - 1$ ）
Catalyst	0.2	0.4	0.8	0.2	0.4	0.8	0.2	0.4	0.8
Pt/NHPC850	111.2	109.2	105.8	330.6	284.3	253.6	367.5	310.5	268.4
Pt/XC?72	93.4	88.3	88.3	383.8	313.4	227.7	358.3	276.7	200.9

Table 2 Electrochemical properties of Pt/XC-72 and Pt/NHPC850 electrodes with different I/C

Catalyst	ECSA/（m²· $g P t - 1$ ）			SA/（μA· $c m P t - 2$ ）			MA/（mA· $m g P t - 1$ ）
Catalyst	0.2	0.4	0.8	0.2	0.4	0.8	0.2	0.4	0.8
Pt/NHPC850	111.2	109.2	105.8	330.6	284.3	253.6	367.5	310.5	268.4
Pt/XC?72	93.4	88.3	88.3	383.8	313.4	227.7	358.3	276.7	200.9

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