Electrochemistry of graphene supported Pt nanoparticles

The data described in this thesis are from the experimental activities carried out during my stay at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble (France). The work was supervised by Dr. Jakub Drnec from Surface Diffraction beamline ID03. We used an iridium single crystal cut perpendicular to a (111) crystallographic direction (Ir(111)) as a substrate. The clean surface was prepared under Ultra High Vacuum (UHV) condition by successive sputtering and annealing cycles and the quality of the surface was checked using Low Energy Electron Diffraction (LEED) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The clean Ir(111) was also further investigated with cyclic voltammetry (CV). After characterization of the clean surface, we deposited graphene (Gr) layer by physical vapor deposition exposing the surface to C2H4 at a pressure of 10-7 mbar while heating the sample up to 1300 K for 60 minutes. Again, the graphene preparation is followed under UHV condition using the same techniques as for the clean surface. Cyclic voltammetry performed after the deposition shows that the graphene layer deactivates the Ir surface reducing the electrochemical current flow. We also assessed the stability of the graphene and its interactions with the electrolyte by putting drops of different solutions on the surface (pure H2O, 0.5M HClO4, 0.25M H2SO4 and 0.5M NaClO4). The results show different behavior of the system depending on the acidity of the environment: when in contact with water it was easy to restore the sample to its original conditions, while when we used an acid solution it becomes harder to remove the water from the sample. In order to achieve a better understanding of the process, we imaged the surface topology using Atomic Force Microscopy (AFM). We again obtained different results in the two cases: in the first one, after the interaction with water, we get images similar to that of the Gr/Ir system, while when made to interact with an acid solution on the sample appeared numerous “bubble” of considerable dimension (around 100 nm of diameter). In the last step, we deposited Pt nanoparticles on top of the graphene sheet by thermal evaporation of a Pt rod, in order to investigate the possible implementation of this system into a fuel cell. From the CV we found that the graphene layer is not oxidizes during the measurement and so the Gr/Ir can be used as a catalyst support and the results obtained shows that the system could work in a fuel cell.

I dati descritti in questa tesi sono stati raccolti durante l’attività sperimentale svolta presso l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble (Francia). Il lavoro è stato supervisionato dal Dr. Jakub Drnec del laboratorio di diffrazione da superficie ID03. Come substrato abbiamo usato un cristallo di Iridio tagliato perpendicolarmente alla direzione cristallografica (111). La superficie è stata preparata in ultra alto vuoto (UHV) con cicli di sputtering e annealing, la qualità della superficie è stata controllata con le tecniche di Low energy electron diffraction (LEED) e X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Una volta pulito, il cristallo di Ir(111) è stato ulteriormente analizzato con esperimenti di voltammetria ciclica (CV). Dopo la caratterizzazione della superficie del substrato abbiamo depositato il grafene (Gr) tramite Physiscal Vapour Deposition (PVD), esponendo la superficie per 60 minuti a C2H4 a una pressione di 10-7 mbar mentre il campione veniva scaldato a 1300 K. La preparazione del grafene è stata controllata in condizione di UHV usando le stesse tecniche già sfruttate per il cristallo di Ir(111). La voltammetria ciclica eseguita dopo la deposizione mostra che il grafene disattiva la superficie di iridio riducendo il flusso di corrente elettrochimica. Abbiamo anche controllato la stabilità del grafene e come questo interagisce con l’elettrolita ponendo delle gocce di diverse soluzioni sulla superficie (H2O, HClO4 0.5 M, H2SO4 0.25 M, e NaClO4 0.5 M). I risultati mostrano un comportamento diverso del sistema a seconda che la soluzione usata abbia carattere acido o meno: quando il campione viene messo in contatto con acqua risulta semplice riportarlo alle stesse condizioni precedenti l’interazione, mentre quando si usa una soluzione acida risulta più difficile rimuovere l’acqua dal campione. Per poter approfondire la nostra comprensione del processo, abbiamo svolto alcune misure usando l’Atomic Force Microscope (AFM). Di nuovo abbiamo ottenuto risultati diversi nei due casi: nel primo, le immagini ottenute erano simili a quelle relative alle misure effettuate su Gr/Ir, mentre nel secondo caso sul campione apparivano numero “bolle” di dimensione non trascurabile (con un diametro di circa 100 nm). Come ultimo passaggio abbiamo depositato delle nanoparticelle di platino sopra al grafene tramite sublimazione di una barretta di Pt, con l’obiettivo di investigare la possibilità di impiegare questo sistema in una cella a combustibile. Effettuando misure di CV abbiamo constatato che il grafene non viene ossidato durante la misura e quindi può essere usato come base per il catalizzatore, i risultati ottenuti nelle misure mostrano inoltre come il sistema può effettivamente venire utilizzato in una cella a combustibile.