740c Combinatorial Screening of Carbon Supported Pt Based Binary and Ternary Systems as Electrocatalysts for Oxygen Evolution

Kenneth Neyerlin and Peter Strasser. Chemical and Biomolecular Engineering, University of Houston, 4800 Calhoun Rd, Eng Building 1 - S166, Houston, TX 77204-4004

The surge in electrocatalyst research for the reduction of oxygen to water has been met with a less than parallel effort regarding the search for viable electrocatalysts for oxygen evolution. The evolution of oxygen represents the key challenge to achieve high efficiencies in a number of hydrogen generation/electricity storage technologies, such as the hydrogen generation from dark electrolyzers operated in combination with photovoltaic or wind power , or regenerative or bifunctional fuel cells, or photoelectrochemical hydrogen generation. Driven by this need for a new catalyst, an increasing number of research groups have shown interest in studying the evolution of oxygen (oxygen evolution reaction, OER).1 2 Our fundamental understanding and therefore the theoretical-computational design of more efficient OER catalysts is only at its beginning, and therefore few catalyst concepts have been developed to date. Given the lack of clear computational guidance at present, but to encourage a future theory-driven experimental development, we are presenting here a combinatorial study of new OER electrocatalysts. The high throughput electrochemical screening involves binary and ternary Pt-based nanoparticle electrocatalysts for the evolution of oxygen. Unlike prior studies, which gauged performance based on the relative amount of fluorescence each catalyst produced, our study yields actual electrochemical current-potential data enabling a quantitative comparison between catalysts. Figure 1 displays the results of several carbon supported Pt-M binary catalysts for the evolution of oxygen. The solid black line in figure 1 represents the capacity of 28 wt% Pt/C to evolve oxygen in 0.1M HClO4. It is clear from the figure that the Pt-Ru system is vastly superior to the other Pt-M systems, with activity tending to increase with increasing Ru content. As a result multiple Pt-Ru-M ternary systems were also synthesized and screened. Post synthesis compositional and structural analysis verify the content and phases of each sample. By gauging which materials or systems best facilitate the evolution of oxygen we will be able to excel our understanding of the oxygen evolution mechanism and/or rate limiting steps. Figure 1. Mass activities in mA/mg noble metal taken at 1.48 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE) plotted against Pt/M atomic % (at%) for the evolution of oxygen in an N2 atmosphere and 0.1 M HClO4. References 1. G. Chen, D. A. Delafuente, S. Sarangapani and T. E. Mallouk, Catalysis Today, 67, 341 (2001). 2. J. Rossmeisl, A. Logadottir and J. K. Norskov, Chem. Phys., 319, 178 (2005).

65533;���@������@������������������������/�����1������1������1������1������1������1��$�����h�������U���������������������������������������������������"���������������������U��������������������������@��������������@��S��j�����- ������- ������- �����������������@������������@������ ������������- ������������������������������������������������������������/��������������- ��������������- ��������������������������������������������������������������������������- ������@�������� ���`X��������������£ ��^���- �������������� ��������0���������- ������g������ ��"���g������- ������������������������������������������������������������������������������g��������������������- ��d���������������- ��������������������������������������������������������������������U������U��������������������������������������# �� �������������������������������������������������������������������������������������������0������0������0��d����$���0������0������0������������0������0������0����������������������������������������������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� The surge in electrocatalyst research for the reduction of oxygen to water has been met with a less than parallel effort regarding the search for viable electrocatalysts for oxygen evolution.  EMBED Equation.3  The evolution of oxygen represents the key challenge to achieve high efficiencies in a number of hydrogen generation/electricity storage technologies, such as the hydrogen generation from dark electrolyzers operated in combination with photovoltaic or wind power , or regenerative or bifunctional fuel cells, or photoelectrochemical hydrogen generation. Driven by this need for a new catalyst, an increasing number of research groups have shown interest in studying the evolution of oxygen (oxygen evolution reaction, OER). ADDIN EN.CITE Chen2001141kc's library.enlEndNote14117<style font="default" >Combinatorial discovery of bifunctional oxygen reduction - water oxidation electrocatalysts for regenerative fuel cells</style>

1  ADDIN EN.CITE Rossmeisl2005155kc's library.enlEndNote15517<style font="default" >Electrolysis of water on (oxidized) metal surfaces</style>

2 Our fundamental understanding and therefore the theoretical-computational design of more efficient OER catalysts is only at its beginning, and therefore few catalyst concepts have been developed to date. Given the lack of clear computational guidance at present, but to encourage a future theory-driven experimental development, we are presenting here a combinatorial study of new OER electrocatalysts. The high throughput electrochemical screening involves binary and ternary Pt-based nanoparticle electrocatalysts for the evolution of oxygen. Unlike prior studies, which gauged performance based on the relative amount of fluorescence each catalyst produced, our study yields actual electrochemical current-potential data enabling a quantitative comparison between catalysts. Figure 1 displays the results of several carbon supported Pt-M binary catalysts for the evolution of oxygen. The solid black line in figure 1 represents the capacity of 28 wt% Pt/C to evolve oxygen in 0.1M HClO4. It is clear from the figure that the Pt-Ru system is vastly superior to the other Pt-M systems, with activity tending to increase with increasing Ru content. As a result multiple Pt-Ru-M ternary systems were also synthesized and screened. Post synthesis compositional and structural analysis verify the content and phases of each sample. By gauging which materials or systems best facilitate the evolution of oxygen we will be able to excel our understanding of the oxygen evolution mechanism and/or rate limiting steps. Figure 1. Mass activities in mA/mg noble metal taken at 1.48 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE) plotted against Pt/M atomic % (at%) for the evolution of oxygen in an N2 atmosphere and 0.1 M HClO4. References  ADDIN EN.REFLIST 1. G. Chen, D. A. Delafuente, S. Sarangapani and T. E. Mallouk, Catalysis Today, 67, 341 (2001). 2. J. Rossmeisl, A. Logadottir and J. K. Norskov, Chem. Phys., 319, 178 (2005). �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������'��*��P����z������'���������� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� ��'³ߗԗԌԗ߁ԗv"����������������������j����hks2�h|�CJ�UaJ�hks2�hks2�CJ�aJ��hks2�hg�CJ�aJ��hks2�h:�CJ�aJ��hks2�hP2�CJ�aJ��!j����hks2�hu�CJ�EHUaJ�#jEK hks2�hu�CJ�UVaJ�j����hks2�hu�CJ�UaJ�hks2�h7N�CJ�aJ��hks2�hu�CJ�aJ��hks2�h�CJ�aJ��hk�h�mHsH$���������������������������������������V��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������gd����gd|���� ����gd|�� �� ����b^bgd|���� �b�bf^b`fgd/����gd/����gd7N�� ��$`a$gdks2����$a$gdks2����gd�����V�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������£������������������ �� ������-��5��6��������£����������������b��c��{����'���������������� ����ĹĮĮ£ĮĮĮϘ£~s£s£££s££s�hks2�h5�CJ�aJ��j����hks2�h'�CJ�UaJ�hks2�h/�CJ�aJ��hks2�h<�CJ�aJ��hks2�h7N�CJ�aJ��hks2�hBN�CJ�aJ��hks2�hP2�CJ�aJ��hks2�hu�CJ�aJ��hks2�hg�CJ�aJ��hks2�h|�CJ�H*aJ�j����hks2�h|�CJ�UaJ�hks2�h|�CJ�aJ�-��-��5��6��K��W��r��|��}������*��I��[��c������������������������������>��a��c��|��}��~������������£������"Ƚ깲ww������������������������hks2�h|�CJ�aJ��j����hks2�h|�CJ�UaJ�hks2�h|�5,J�aJ�hks2�� h/�H*h/�h/�5h|�� h/�h/��h/��hks2�h/�CJ�aJ��hks2�he�CJ�aJ��hks2�h5�CJ�H*aJ�hks2�hBN�CJ�aJ��hks2�h7N�CJ�aJ��hks2�h5�CJ�aJ�*��������7��B��D��G��T��U��V������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������hks2�h�CJ�aJ��j����hks2�h|�CJ�UaJ�hks2�h|�5,J�aJ�hks2�h|�CJ�aJ��hks2�h|�6,J�aJ�� 6�&P�1h:p&o�/ =!8"8#$%�� @=gC��LC����������! ����B�/-����x\ '=3N#  D >PiT>g6٠$gF4*j\eWt1³snu{{f؝3]ΩsϽ{n5؍'BN3[X aLcW26`]e"^ Z:oNa2P:Nbe@z+eM({%)7fR)HP51]2Ei\e,1:nG5"˽e?TI@a<] 'ǫ'$m -UgTvf³['߇^ns3amYͫ_DU{/Nf)7z=5T|SI6ٱW y>cH[<`£~">?gs1ޛ`Ǽ.14 @/C0 coWAĜ\:�\{"(|ś3dW^`4k6s,_^<<ƾ€&ιǵ'uкx~g<£֏(;zvYi ~0g 8w*g³xxgP}gQ6|'o?j.;zb5~ԱК"z<&C8³ZSetF;RRzp"m]"%%W3<m¶?Ϫzk]}^߼%³TW£W߫U~]S=c£M~}zA/JfIµ^W}' T.ۀ2h_.?T9]S>³µPvy9µTY5PH{@gSOµ^]k!ދ£ze΅^8wµl""{'Ԕ$m 9ΥOh'3WelKh:8z18'5o£5:|,S~ŏ[tV\a.£z:˔_◺r[<£;s#ڜmŘM/"%u[~ζ(l>lo[$mQs+YzYN'1@R#&M$s򜹰)O`(p'Zrz_ ~A'_o j}µ[4Z7#zޘg+d@fs 7 '&!ˑΚd~*MJz2Wf4 UA䷇'oBa w :+8³o"gl] q74[W>j/آ1G w/T5vmWAox2]`*"_v뫤 w Z' փPwMVD}e%z6PCqB}e% µnG}e%9~/|UB}e%!aGhkPs%|2 ~'#825ɌYM|µא{ "c�s%7 , '~L[C $їXVi;ďasU+ ,[~³u { ڜ'?kJXz"H畂L�z BW? o |)zAh6g~k · od2µS㼯~Y M'~7Z |Ɣgw,ǰƏ8*G)Q`\˞[|`yY �t c̺jyL-)s@f&-&~<[ ³- sךj£|mqј}|'=2}W:мµ)Fz(>Kg+ʏq>Kg+s³zRz'µOOyPr@"LKt>)'f:˔z"Jc"Xut>)t>)d)OǙ]Ư7zf;&' kg[*91TPL/)g =v":{"xe l1|+m|gگxeob@l$£K$6( zG#&ځb)dV>" hW w&鱨xb(cw>�/uJשxz@k2>ozyE^6}VKL'9£{'lzGRt<£|ުzwzMh4[oZvc|ƥZxzkގ4n9עG5|~$³<0Tz X'QM32Rlu'g %PUff]1Yzx]ce֥x-oϬK'5J'5*k]s[_"Yekktֺl}̺/[]#D]ca[߲Hf]᢮Zߺ:|t,<v"%8?e˖] y_ic^J7W)lxB GU*pµkKX.vB{xdPp�_*"UK R9>e{ؽQVQ' U$oE{eC:=Uܘ|6y<6/ByGCkgV�uUڇ OdI٨[p߲1B=L£e}R3ZA}=z³*ގkN} `csx£qn�u z|7O³/2u2w1Ov<.wu'hs'xu.Owv.L%u{.g%3r]~ıp߯.iow'³{+EYgbµ?rn '`<  h9yʇ/@Lkoz6�mœ5egµ!0#*m:A;,z³bTkm7jm`.1un=\u@µgr1UYĽ;c}[4wNcNb.1\ԖB_^󈩅9V"0OYy xڗoLfsG}q,#=bg?/'-w9vc](s+{Bz}3F5=jh`z0cˑ{Y^'9X}z`IugEjzL3n=>'m1M넘FeS£}{sCXgiTM]5۱[ʶv=vڝj{="Sq1U':"X|l!4"e(z,ʚc³7XFRµp/z~IzM[X _y5-`#kzoleS|T|8W^0ϑP6xp7f9'j?A'QyzGI3e[mC/CNCZis'".K!£tek[kp+=t辞"i1xE&blx0x³3Rڨ_ '_Nk'Jj"#&_,eiµ:µ~o!'ǵv"u5̯Wg\@ ׺ű'WBr'i2vgE㔏Z?Z{£cɨ}ސ³@xZם-"³{6Oxs%³,PɶÊ?Ambcn[Gx{O-z OZYJ>'xHb# ;'vx%U`LhL c}yw<'X#`W-i9b׉e}$\0hQw߄Mܵ"o='{^k׼T,bYbWDzNW'+H:quB:Y>_\"}k1W{?G}}b[Vv$;쵂_޺>";gkX^+a$7uS5yނA{2yYL݅1Y~k£9\(`.}'1H8Fg£x%_£b'/@m1 C =yɟ8FF8Fz£' £50|&"#"1z 1V@3ˑ1zdL`m\GG>upL|/qp"> W d1 12r1wc*K^[B%/A8F:%cA/A8F{TIct >Pؑ1:lc+ #~ 1 #,;ї5 £A79ďA8F%-_Gc_ďA8F³Ƒ1: "? Nf?E|"G?#*1h $~ 1V#£ 0f £ 3n'~ 1:?docQ£�}dЮ\p~/1x(_f'Թ8FI'1 Q`£%YR8FmcԖXCp-Z s ³)2ݮkYWqg>̬8F8a]Vf]1BdYWqvp̺ cx;duG8³BZɬpc>:?h;1zwb'x#ѱp]|hQm͆c$uBY:QLM/cqA}>19bt8FY>>7xwe\\8Fc>1 ct1E1sI'Wo8 'vamc3qµ?rnz-mQ#yxm#hc;ǐz Ж!1'£B7Sk;?"o+QUxqzq|Z([(;³jy˖byR\@tY2W]RYEz!٥Uv쇥BKܗK'7"R<,48k_ki~K\F<Wlv/mw?/oW}^u{|0,IhMܾX/yꝸ7Scz>t'GUCm<ȮWlgx'uϮ_SmUG{9^Wm'rnµyG g'M$ mY~XC}~Q^F_vi巖x%n=22x5vK5£8S"ca=tDĠspbKSXU8NaFm WB;k ,Key D"eb}~E&�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������D�d������� �������������P l���������������������������������gb��� g������ ��c� g$������A���?���z �����?��3�"���z��`�z��?�����g������2�g��zmg-׀4N=_������D�����V `!g��zmg-׀4N=_v�������������������xڕ';KP=+i:8DAE;:u"EAJDB ![pup'!RgS@IxIC8{ss�J f?q2C < oMk(.JKϑ74<tb["B9AL*#"[)ZBYړXy ֏< cyl[ crݚ]9ދdWA+Rg!78oF|r"ޏ?d2_1P="8/QpCvPr0ܲFzz,mezLkt' 8EZXT-c=K\E:#*'zvJ[nvy7NBт[,do'Žgs%xlNB[Ϗ<³0��������������E�q�u�a�t�i�o�n� �N�a�t�i�v�e����������������������������������� ������������������������������������������������1�T�a�b�l�e�������������������������������������������������������������������������������������������������1���g�������S�u�m�m�a�r�y�I�n�f�o�r�m�a�t�i�o�n���������������������������(���� �������������������������������������������������D�o�c�u�m�e�n�t�S�u�m�m�a�r�y�I�n�f�o�r�m�a�t�i�o�n�����������8����������������������������������������t�������������������������������������,�� ���8�����D�� ���d�� ���p�� ���|������������������������������\���Combinatorial Screening of High Surface Area Pt Based Electrocatalysts for Oxygen Evolution�����������������Ghost�������������������Normal�������� ���������2���������Microsoft Office Word���@����V����@����BG@����BG���������/�����'�����������������������������������������������������������������������''.�+,0���D�� ������h������p������|��������������������� ���������������������x��� ������ ���$��������������������&������ ������L�����' � ������� ������� ������� ������������\���Combinatorial Screening of High Surface Area Pt Based Electrocatalysts for Oxygen Evolution� �����������Title���������������������� �� �����������F���Microsoft Office Word Document� ���MSWordDoc����Word.Document.8�9q����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������@��@�@� ���������N�o�r�m�a�l�������CJ�_HaJ�mH sH tH ������������������D�A@�D� ���������D�e�f�a�u�l�t� �P�a�r�a�g�r�a�p�h� �F�o�n�t�����R�i�³�R� �������� �T�a�b�l�e� �N�o�r�m�a�l������4� l�4���a��� ���(�k��(�����������N�o� �L�i�s�t����������H����H� ��:��� �B�a�l�l�o�o�n� �T�e�x�t������CJ�OJ�QJ�^J�aJ�,�O�,� ���k��� �y�s�h�o�r�t�c�u�t�s���������V����*�����������������������������������������������X������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������0������������������������X�� ����0������������0��������� ������V�����������������V��������V��������'������������£�� �� ����£��T��V��:QQQ��gl�����g���������������������g,���"�g$���LC�K�����8*������@��������������g����g���������gt����g(���� g�������������������� g����������g<��� g������ ��#� g ���A��������g���������g�������gB���� g��������S� g���z���������� ���?����g��������V����������t��������������������������� ����-��>��N��£������������1��3��V��X���������������������� ������#��.��5��X�������������������������������������������������������������9��<��������T��X���3��3��3��3��3��3��3����������=��U��X�����������X�����������������������P2�ks2�7N� g[��<�E�n�a�b�l�e�d�>�1�<�/�E�n�a�b�l�e�d�>�<�S�c�a�n�U�n�f�o�r�m�a�t�t�e�d�>�1�<�/�S�c�a�n�U�n�f�o�r�m�a�t�t�e�d�>�<�S�c�a�n�C�h�a�n�g�e�s�>�1�<�/�S�c�a�n�C�h�a�n�g�e�s�>�<�/�E�N�I�n�s�t�a�n�t�F�o�r�m�a�t�>�P<�E�N�L�a�y�o�u�t�>�<�S�t�y�l�e�>�J�E�C�S�<�/�S�t�y�l�e�>�<�L�e�f�t�D�e�l�i�m�>�{�<�/�L�e�f�t�D�e�l�i�m�>�<�R�i�g�h�t�D�e�l�i�m�>�}�<�/�R�i�g�h�t�D�e�l�i�m�>�<�F�o�n�t�N�a�m�e�>�T�i�m�e�s� �N�e�w� �R�o�m�a�n�<�/�F�o�n�t�N�a�m�e�>�<�F�o�n�t�S�i�z�e�>�1�2�<�/�F�o�n�t�S�i�z�e�>�<�R�e�f�l�i�s�t�T�i�t�l�e�>�<�/�R�e�f�l�i�s�t�T�i�t�l�e�>�<�S�t�a�r�t�i�n�g�R�e�f�n�u�m�>�1�<�/�S�t�a�r�t�i�n�g�R�e�f�n�u�m�>�<�F�i�r�s�t�L�i�n�e�I�n�d�e�n�t�>�0�<�/�F�i�r�s�t�L�i�n�e�I�n�d�e�n�t�>�<�H�a�n�g�i�n�g�I�n�d�e�n�t�>�7�2�0�<�/�H�a�n�g�i�n�g�I�n�d�e�n�t�>�<�L�i�n�e�S�p�a�c�i�n�g�>�0�<�/�L�i�n�e�S�p�a�c�i�n�g�>�<�S�p�a�c�e�A�f�t�e�r�>�0�<�/�S�p�a�c�e�A�f�t�e�r�>�<�/�E�N�L�a�y�o�u�t�>�T�<�E�N�L�i�b�r�a�r�i�e�s�>�<�L�i�b�r�a�r�i�e�s�>�<�i�t�e�m�>�k�c�&�a�p�o�s�;�s� �l�i�b�r�a�r�y�.�e�n�l�<�/�i�t�e�m�>�<�/�L�i�b�r�a�r�i�e�s�>�<�/�E�N�L�i�b�r�a�r�i�e�s�>�@���������\,W��������������������������V��P���@������U�n�k�n�o�w�n�����������������������������������G��z� ����������������T�i�m�e�s� �N�e�w� �R�o�m�a�n���5�����������������������S�y�m�b�o�l���3&�� z� ����������������A�r�i�a�l���5&�� z�a���������������T�a�h�o�m�a���"��q�g��h����3&3&��������/��'��� ����&���/��'��� ���&��������g������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������89�x�24����d������L��L����������������������������������������������������������������������� 2Q�g�����������������������������HX����(g�?���������2������������������������[�C�o�m�b�i�n�a�t�o�r�i�a�l� �S�c�r�e�e�n�i�n�g� �o�f� �H�i�g�h� �S�u�r�f�a�c�e� �A�r�e�a� �P�t� �B�a�s�e�d� �E�l�e�c�t�r�o�c�a�t�a�l�y�s�t�s� �f�o�r� �O�x�y�g�e�n� �E�v�o�l�u�t�i�o�n��������G�h�o�s�t�� ��������������������������������������C�o�m�p�O�b�j������������������������������������������������������������������������������������������q�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������