Hierarchical titanium-nitride scaffolds for direct methanol fuel cell anodes

To overcome the high cost of the catalyst in Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) technology, research is moving towards the reduction in the Pt-Ru loading in the electrodes by increasing the electrochemical surface area. To date, the state of the art of catalyst supports is dominated by mesoporous carbon. It shows high conductivity but suffer from stability issues especially on long-term operation. As shown in various works in the literature, titanium nitride (TiN) has a metal-like conductivity with an outstanding chemical stability, making it a possible candidate to replace carbon. In this work, we report about Pt catalyst supported by self-assembled, hierarchical mesoporous titanium nitride nanostructure, grown by Pulsed Laser Deposition. Platinum nanoparticles are deposited on these tree-like structures by means of pulsed electrodeposition. Electrochemical characterization of such catalysts is performed, showing it is possible to reach high value of the ECSA while controlling the porosity and the morphology of the material down to the nanoscale. Moreover, we show how for MOR, the TiN scaffold could be active towards the removal of contaminants from the platinum surface, suggesting it could be a possible candidate for replacing, or at least reducing the ruthenium content.

Per superare il problema dell’elevato costo del catalizzatore nelle celle a combustibile a metanolo (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC), la ricerca è focalizzata sulla riduzione del carico totale del catalizzatore di platino/rutenio. Ad oggi, il carbonio mesoporoso rappresenta lo stato dell’arte per quanto riguarda i supporti catalitici per DMFC: presenta alta conduttività elettrica, ma soffre di problemi di stabilità, specialmente quando soggetto a funzionamento per lungo periodo. Come è mostrato in diversi studi, il nitruro di titanio (TiN) ha una conduttività comparabile ai metalli e, insieme, un’eccezionale stabilità chimica, rendendolo un possibile candidato per sostituire il carbonio mesoporoso. In questo lavoro, si presenta un catalizzatore di platino per DMFC supportato su nanostrutture self-assembled, gerarchiche e mesoporose di nitruro di titanio, fabbricate tramite Pulsed Laser Deposition. Le nanoparticelle di platino sono depositate su queste nanostrutture di forma alberosa con una tecnica di elettrodeposizione pulsata. Il comportamento elettrochimico del catalizzatore è caratterizzato, e viene mostrato come sia possibile raggiungere valori elevati di area catalitica (Electro-Chemical Surface Area, ECSA) e insieme controllare la morfologia e la porosità del materiale fino al nanometro. Viene inoltre mostrato come per la reazione di elettro-ossidazione del metanolo (Methanol Oxidation Reaction, MOR), il supporto di TiN potrebbe presentare attività nella rimozione di contaminanti dalla superficie del catalizzatore di platino; ciò suggerisce che il TiN potrebbe essere un possibile candidato per rimpiazzare il rutenio, o almeno ridurne il carico catalitico.