Electrocatalysis study of Pt/C, Ru/Pt/C and Sn/Pt/C

for the oxygen reduction reaction

Etude de trois électrocatalyseurs élaborés

à base de platine dispersé sur carbone

pour la réaction de réduction de l’oxygène

Y. Naimi1*, D. Takky1, A. Cherqaoui1, A. Ayad2, J. Bouet2, J.-F. Fauvarque2

1 Faculté des Sciences Ben M’sik, Université Hassan II – Mohammedia, Casablanca, Maroc

2 Laboratoire d’Electrochimie Industrielle du Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris, 2 rue Conté, 75010Paris, France

* Corresponding author. E-mail : naimiyoussef@hotmail.com

Received : 27 October 2003; revised version accepted : 15 March 2004

Abstract 

In this work, electrochemical behaviour of three electrocatalysts Pt/C, Ru/Pt/C, and Sn/Pt/C for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) is studied for Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs). These electrocatalysts, elaborated in LACCO (Laboratoire de Catalyse en Chimie Organique), are compared to the 10 % Pt/C provided from E-TEK company. The real superficial area of the Pt/C is the same of the E-TEK’s one. This area is twofold for the Sn/Pt/C and fourfold for the Ru/Pt/C. Association of ruthenium to platinum gives a good stocking capacity of the hydrogen. Unfortunately, polarisation curves show a relatively negative effect for the ORR on platinum due to ruthenium presence. Indeed, separation can be seen of two waves, corresponding to the two mechanisms of the ORR; the first one with two electrons for the low polarisations and the second one with four electrons for the high polarisations. This clear separation is due in the same time to the ORR’s overpotential decreasing (two electrons mechanism) and to shifting of the diffusion threshold to the low potentials (four electrons mechanism). Otherwise, these curves show a beneficent effect of associating tin to platinum. The exchange current value of -3,58µA (corresponding to a density of -27 mA.cm-2 per milligram of platinum) expresses an excellent platinum activity in tin presence. These phenomena can be explained by sufficiently platinum particles size in tin presence or/and to the tin participation to oxygen adsorption on platinum.

Keywords : PEM fuel cell; Oxygen; Platinum; Tin; Ruthenium.

Résumé 

Dans ce travail, nous étudions les comportements électrochimiques de trois électrocatalyseurs, à base de platine, dispersés sur poudre de carbone Pt/C, Ru/Pt/C et Sn/Pt/C vis-à-vis de la réaction de réduction de l’oxygène en vue de leur utilisation dans la fabrication des électrodes des piles à combustible PEM (Proton Exchange Membrane). Les comportements électrochimiques de ces électrocatalyseurs, élaborés au Laboratoire de Catalyse en Chimie Organique (LACCO), sont comparés à celui du Pt/C à 10 % commercialisé par la compagnie E-TEK. La surface réelle de l’électrode obtenue à partir du carbone platiné Pt/C est pratiquement équivalente à celle du carbone platiné de E-TEK. Cette surface est double pour le Sn/Pt/C et elle est quadruple pour le Ru/Pt/C. L’association du ruthénium au platine lui confère donc une meilleure capacité de stockage de l’hydrogène. Malheureusement, les courbes de polarisation montrent un effet relativement négatif de la présence du ruthénium sur la réaction de réduction de l’oxygène sur le platine. En effet, il y a une séparation des deux vagues de réduction de l’oxygène, correspondant aux deux mécanismes de la réduction de l’oxygène l’un à deux électrons pour les faibles polarisations et l’autre à quatre électrons pour les fortes polarisations. Cette séparation est due à la fois à la diminution de la surtension relative à la réduction de l’oxygène (mécanisme à deux électrons) et au déplacement du palier de diffusion (mécanisme à quatre électrons) vers les faibles potentiels. Par ailleurs, ces courbes de polarisations montrent un effet très bénéfique de l’association de l’étain au platine. La valeur du courant d’échange de -3,58 µA ; soit donc une densité de -27 mA.cm-2 par milligramme de platine traduit une excellente activité du platine en présence de l’étain. Ce phénomène peut être expliquer par la taille des particules de platine suffisamment grande ou/et par une participation de l’étain à l’adsorption de la molécule d’oxygène facilitant ainsi sa réduction sur le platine.

Mots clés : Pile à combustible PEM; Oxygène; Platine; Etain; Ruthénium.

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