Untersuchung von Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion in Brennstoffzellen bei tiefen Temperaturen

Weitreichende Untersuchungen sind an Pt basierten Katalysatoren bezüglich der Aktivität der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) bei Temperaturen > 298 K publiziert. In dieser Arbeit wird die ORR Aktivität und die Wasserstoffperoxidentwicklung im Temperaturbereich von 273-298 K an zwei kommerziellen Katalysatoren, Pt/C (HISPEC9100 Fa. Johnson Matthey) und Pt3Co/C (PtCo-V40 Fa. HyPlat), mittels rotierender Ring-Scheibenelektroden (RRDE) Messungen in 0,1 M HClO4-Lösung analysiert. Deckschichtbilder werden in Ar-gespülter Lösung aufgenommen, um die elektrochemisch aktive Oberfläche (ESCA) aus dem Wasserstoffdesorptionsbereich zu bestimmen. Die Auswertungen der ORR Messungen nach Levich-Koutecky zeigen eine drei- bis vierfach höhere ORR Aktivität des Pt3Co/C Katalysators im genannten Temperaturbereich. Für Pt3Co/C ist die Wasserstoffperoxidentwicklung gegenüber Pt/C um den Faktor 2 erhöht, was auf unterschiedliche Adsorptionseigenschaften bezüglich O2 zurückgeführt werden kann. Bei Potentialen < 0,8 V ist die Wasserstoffperoxidentwicklung mit unter 1% zu vernachlässigen. Es zeigt sich keine Temperaturabhängigkeit der Wasserstoffperoxidentwicklung im untersuchten Temperaturbereich. Eine Aktivierungsenergie im Niederstrombereich von 24,5 kJ mol-1 für Pt/C und 19,2 kJ mol-1 für Pt3Co/C sowie eine Tafelsteigung von ≈ 60 mV dec-1 für beide Katalysatoren über den gesamten Temperaturbereich lassen darauf schließen, dass die ORR nach demselben Reaktionsmechanismus abläuft. Im Übergang zum Hochstrombereich zeigen sich für Pt3Co/C überlagerte Diffusionseffekte, die aufgrund eines Pt-Skin / Pt-Skeleton Charakters vermutet werden. Die Messdaten des Hochstrombereichs von Pt/C werden über den untersuchten Temperaturbereich, unter Beachtung eines blockierenden Adsorbates, an das erweiterte ""double trap""- Modell gefittet. Es ergibt sich für Pt/C im Hochstrombereich eine Aktivierungsenergie von 44,8 kJ mol-1 und eine Tafelsteigung von 137,7 mV dec-1. Die erhaltenen Werte für den Niederstrombereich und den Hochstrombereich decken sich mit den publizierten Werte bei Temperaturen > 298 K. Aus dem berechneten Gleichgewichtspotential des Adsorbates von 0,85 V über das erweiterte ""double trap""- Modell werden Rückschlüsse in Verbindung mit der Wasserstoffperoxidentwicklung gezogen. Es wird ein assoziativer Mechanismus über (O2H)ads ab einem Potential von 0,8 V vermutet, über welchen in 2 genannten Reaktionswegen H2O2 entstehen kann.