Investigation of Low Platinum Loaded Serya Composite Supported Electrocatalysts for PEM Electrolysers

Year 2019, Volume: 24 Issue: 1, 9 - 21, 30.04.2019

Arda Zarrabı , Niyazi Alper Tapan

Abstract

Hydrogen
Evolution Reaction (HER) in PEM electrolysers is an important electrochemical
reaction which is very important in hydrocarbon-independent energy production.
However, expensive noble metals such as platinum used for hydrogen evolution reaction
increase the production cost of PEM electrolysers. In addition, it is also
important to maintain the stability of the electrocatalysts in an acidic
environment used in these electrolysers. In this study, it is aimed to develop
alternative composite catalysts in PEM electrolysers to reduce both the Pt
ratio and increase the stability of electrocatalyst in an acidic environment.
In this context, low Pt loading and high Fe and Ni content ceria composite
supported electrocatalysts (Pt/Fe_xCe_yO_z, Pt/Ni_xCe_yO_z)
were synthesized by the impregnation-hydrothermal technique and pretreated at
different reduction temperatures (400 ^oC and 800 ^oC). HER
activities of the electrocatalysts were analyzed and compared with cyclic
voltammetry (CV), chronoamperometry (CA) and electrochemical impedance
spectroscopy (EIS). During cyclic voltammetry studies, catalysts pretreated at
400 ^oC showed higher activity than the catalysts at 800 ^oC.
highest HER activity lowest faradaic resistance were achievedwith Pt/FexCeyOz
reduced at 400 ^oC. It is believed that the activity changes in
different  heat treated electrocatalysts
are due to the formation of different compounds between cerium and transition
metal and different particle sizes of 
cerium oxide and metal oxide particles at different reduction
temperatures.

Keywords

Ceria, electrolyzer, PEM, electrocatalyst, hydrogen

PEM Elektrolizörler İçin Düşük Platin Yüklemeli Serya Kompozit Destekli Elektrokatalizörlerin İncelenmesi

Abstract

PEM elektrolizörlerindeki hidrojen gaz çıkışı (HER), hidrokarbonlardan bağımsız enerji üretiminde oldukça önemli olan bir elektrokimyasal tepkimedir. Ancak hidrojen gaz çıkışı için kullanılan platin gibi pahalı soy metaller PEM elektrolizörlerin maliyetini yükseltmektedir. Aynı zamanda bu elektrolizörlerde kullanılan elektrokatalizörlerin asidik ortamda kararlılığını da koruması ayrıca önemli bir noktadır. Bu çalışmada PEM elektrolizörlerde hem Pt oranını düşürebilmek hem de asidik ortamda kararlılığı korumak için alternatif olarak kompozit katalizörlerin geliştirilmesi düşünülmüştür. Bu bağlamda,  düşük Pt yüklemeli ve yüksek Fe ve Ni içerikli serya kompozit destekli elektrokatalizörler (Pt/Fe_xCe_yO_z, Pt/Ni_xCe_yO_z) emdirme-hidrotermal tekniği ile sentezlenerek farklı indirgenme sıcaklıklarında (400^oC ve 800^oC) ısıl işlemden geçirilmiştir. Elde edilen elektrokatalizörlerin HER aktiviteleri, kararlılıkları döngülü voltammetri (CV), kronoamperometri (CA) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri ile analiz edilip kıyaslanmıştır. Döngülü voltammetri çalışmalarında 400 ^oC’de indirgenmiş katalizörler 800 ^oC’deki katalizörlere göre daha yüksek elektrokimyasal aktivite sergilemiştir. Elektrokimyasal analizler sonunda hidrojen gaz çıkışı açısından en yüksek aktivite ve en düşük faradaik direnç 400 ^oC’de indirgenmiş Pt/Fe_xCe_yO_z ile elde edilmiştir. İndirgenme sıcaklıklarına bağlı elektrokimyasal farklılıkların kompozit destek içindeki seryum oksit ve metal oksit parçacıklarının farklı indirgenme sıcaklıklarında oluşturabileceği farklı bileşiklerden ve parçacık büyüklüklerinden kaynaklandığı düşünülmektedir.

Keywords

Serya, elektrolizör, PEM, elektrokatalizör, hidrojen

References

• Coutanceau, C., Baranton, S., Audichon, T., 2017. Hydrogen Electrochemical Production. Academic Press.
• Dominguez-Crespo M. A., Torres-Huerta A. M., Brachetti-Sibaja B., & Flores-Vela, A., 2011. Electrochemical performance of Ni–RE (RE= rare earth) as electrode material for hydrogen evolution reaction in alkaline medium. International Journal of Hydrogen Energy. 36;1:135-151.
• El-Taib Heakal F., Tantawy N.S., Shehata O.S., 2012. Influence of cerium (III) ions on corrosion and hydrogen evolution of carbon steel in acid solutions. International journal of hydrogen energy. 37:19219-19230
• Liao L.W., Li M.F., Kang J., Chen D., Chen Y., Ye S., 2013. Electrode reaction induced pH change at the Pt electrode/electrolyte interface and its impact on electrode processes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 688: 207–215
• Magdic, K., Kvastek, K., & Horvat-Radošević, V., 2015. Impedance approach to activity of hydrogen evolution reaction on spatially heterogeneous GC electrode surfaces: metal free vs. Ru catalysed case. Electrochimica Acta. 167: 455-469.
• Marcelo C., Fritz D.L., Mergel J., Stolten D, 2013. A comprehensive review on PEM water electrolysis. International journal of hydrogen energy. 38:4901-4934
• Mingyong W., Zhi W., Xuzhong G., Zhancheng G., 2014. The intensification Technologies to water electrolysis for hydrogen production, review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 29:573–588.
• Van de Goor C., Li Z., Mul G., 2013. Influence of temperature and pH on the hydrogen evolution reaction (HER) on platinum,the photocatalytic synthesis (pcs) group, univercity of twente.
• Wang J. X., Zhang Y., Capuano C. B., Ayers K. E., 2015. Ultralow charge-transfer resistance with ultralow Pt loading for hydrogen evolution and oxidation using Ru@Pt core-shell nanocatalysts. Nature, Scientific Reports. 5:12220.
• Wei Z.D., Yan A.Z., Feng Y.C., Li L., Sun C.X., Shao Z.G., Shen P.K., 2007. Study of hydrogen evolution reaction on Ni-P amorphous alloy in the light of experimental and quantum chemistry. Electrochem Commun. 9:2709-2715