Oxygen reduction reaction on electrochemically deposited sub-monolayers and ultra-thin layers of Pt on (Nb-Ti)2AlC substrate

Abstract

Catalytic activity towards the oxygen reduction reaction (ORR) in 0.5 M H2SO4 was investigated at sub-monolayers and ultra-thin layers (corresponding to 10, 30 and 100 monolayers, (MLs)) of Pt electrochemically deposited on (Nb-Ti)2AlC substrate. Electrochemical deposition of Pt layers on (Nb-Ti)2AlC substrate was achieved from the solution containing 3 mM K2PtCl4 + 0.5 M NaCl (pH 4) under the conditions of convective diffusion (RPM = 400) using linear sweep voltammetry (LSV) at a sweep rate of 2 mV s-1, by determining limiting potential for deposition of each Pt sample from the QPt vs. E curves. The Pt samples were characterized X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XPS analysis showed that practically the whole surface of (Nb-Ti)2AlC substrate is covered with homogeneous layer of Pt, while Pt ion reduction was complete to metallic form – Pt(0) valence state. Then oxygen reduction was studied at rotating disc electrode by cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry. Two different Tafel slopes were observed, one close to 60 mV dec-1 in low current densities region and second one ~ 120 mV dec-1 in high current densities region. This novel catalyst exhibited higher activity in comparison to carbon supported one, in terms of mass activity – kinetic current density normalized to Pt loading.

Ispitivana je reakcija redukcije kiseonika na tankim slojevima platine u 0.5 mol dm-3 H2SO4. Tanki slojevi platine – čija količina naelektrisanja odgovara 10, 30 i 100 teorijskih monoslojeva Pt su istaloženi na nosaču od (Nb-Ti)2AlC. Za elektrohemijsko taloženje je korišćen rastvor 3 mM K2PtCl4 + 0.5 M NaCl pH = 4, u uslovima konvektivne difuzije (RPM = 400) primenom metode linearne skenirajuće voltametrije (LSV) pri brzini promene potencijala od 2 mV s-1 . Elektrohemijski dobijeni platinski katalizatori na pomenutom nosaču su okarakterisani metodom fotoelektronske spektroskopija X-zraka (XPS), kao i elektrohemijskim tehnikama. Za određivanje realne elektrohemijski aktivne površine elektrode je primenjena ciklična voltametrija, integracijom ispod anodnog dela voltamograma u oblasti adsorpcije vodonika na potpotencijalima. Za ispitivanje kinetike reakcije redukcije kiseonika je korišćena metoda linearne skenirajuće voltametrije na rotirajućoj disk elektrodi. Dobijene su dve vrednosti Tafelovog nagiba, jedna približno 60 mV dek-1 u oblasti malih prenapetosti, a druga ~ 120 mV dek-1 , u oblasti većih gustina struje. Katalitička aktivnost katalizatora je poređena sa vrednostima iz literature dobijenim na platini na ugljeničim nosačima na 0.85 V prema reverzibilnoj vodoničnoj elektrodi, izražena kao kinetička gustina struje po realnoj površini electrode, ili specifična aktivnost – izražena kao kinetička gustina struje po masi platine. Pokazano je da katalizator sa 10 monoslojeva platine poseduje veoma dobru katalitičku aktivnost, posebno izraženu po masi istaložene platine.