Model electrocatalysts for fuel cells: a surface science based study

The present thesis focuses on studying structure/morphology/activity relationships in bimetallic Pt-Sn nanostructured electrodes for proton exchange membrane (PEM) fuel cells by adopting a rigorous surface science approach where: i) Model electrocatalysts are prepared in ultra-high-vacuum (UHV) conditions as ultrathin (UT) films (PtSnx/Pt(110) and SnOx/Pt(110)) to ensure a very reproducible control down to the atomic level; ii) Composition, morphology and structure of the UT nanostructured films are studied in situ by adopting state-of-the-art characterization tools; iii) Quantum mechanical calculations are carried out adopting the density functional theory (DFT) in order to determine the atomic structure of the UT films. A systematic search for possible Sn alloy or oxides on Pt(110) surface phases was carried out. Three surface alloys (including one already reported surface alloy) and two surface oxides on Pt(110) surface were identified. The two novel surface alloys: p(3×1)PtSn/Pt(110) and p(6×1) PtSn/Pt(110) can be prepared by means of UHV Sn deposition on Pt(110) at different thickness and by a subsequent annealing at proper temperature. Besides, two SnOx oxides surfaces, namely the c(2×4)SnOx/Pt(110) and the c(4×2) SnOx/Pt(110), were prepared by oxidizing the surface alloys. With optimization of the preparation conditions, a phase diagram for the surface alloys and surface oxides on Pt(110) was outlined. The two novel surface alloys were characterized by low energy electron diffraction (LEED), scanning tunnelling microscopy (STM) and synchrotron radiation photoemission spectroscopy (SRPES). STM images of the two surface alloys are characterized by a highly corrugated row structure whereas photoemission data indicate a complex intermixing between Pt and Sn which leads to the formation of extended near-surface alloys. Some models for the two surfaces were proposed on the basis of the experimental evidences. These models were then compared with DFT calculations and the simulated STM images of the models were used as final assessment of their validity. The reactivity of the surface alloys with CO was investigated both experimentally by thermal programmed desorption (TPD) and theoretically by DFT calculations. The results reveal a scarce reactivity towards CO on the two surfaces due the lower adsorption energy with respect to pure Pt(110) surface, indicating their use as highly CO tolerant catalysts. Based on the DFT results, the surfaces can have also an improved performance in CO oxidation reaction (COOR) on the basis of the calculated d-band centroid value. The two surface oxides (c(2×4)SnOx/Pt(110) and c(2×4)SnOx/Pt(110) ) were investigated by LEED, STM and SRPES. Some models for the two surfaces were proposed based on the experimental results, and investigated by DFT calculations. The good agreement between the simulated STM images with the experimental data suggests a good reliability of the proposed structures. The reactivity towards CO for the two oxidised phases was also investigated. The c(4×2) structure, constituted by a slightly oxidised Sn overlayer, demonstrated to be scarcely reactive, whereas the more oxidized c(2×4) phase proved to be able to efficiently oxidize CO. These results were also confirmed by DFT. The decomposition of methanol on c(2×4) surface was also investigated by TPD and SRPES, indicating that the methanol can be oxidised efficiently into CO2 and H2O. However the body of our experimental data points to a quite complex oxidation mechanism whose selectivity changes dynamically according to the experimental conditions. The fully oxidised c(2×4) can efficiently oxidise methanol to CO2 at low temperature, but this reaction path is progressively suppressed as soon as the phase is reduced. In this regime the methanol is oxidized to CO2 at higher temperature and less efficiently, the microscopic mechanism of the reaction implies the supply of oxygen by c(2×4) islands on reduced Pt or PtSn areas by spillover, where the actual reaction takes place. When the spillover is not anymore possible, because the methanol decomposition has removed most oxygen, methanol is simply oxidatively dehydrogenated to CO and H2, similarly to what happens on the clean Pt(110) surface but at a slightly lower temperature.

La presente tesi si concentra sullo studio della relazione struttura / morfologia / reattività in elettrodi bimetallici nanostrutturati Pt - Sn per celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM), adottando un rigoroso approccio di scienza delle superfici sviluppato come segue: i) sistemi modello di elettrocatalizzatori sono stati preparati in condizioni di ultra - alto vuoto (UHV) depositando via epitassia da fasci molecolari (MBE) strati ultrasottili (UT) di PtSnx e SnOx su superfici di Pt monocristallino orientate (110), al fine di garantire un controllo fine e riproducibile su scala atomica; ii ) composizione, morfologia e struttura dei film nanostrutturati UT sono stati studiati in situ mediante l'adozione di strumenti di caratterizzazione in linea con le più avanzate tecniche offerte dallo stato dell’arte; iii ) calcoli quanto-meccanici basati sulla teoria del funzionale densità (DFT) sono quindi stati effettuati per determinare la struttura atomica dei film UT, in modo da razionalizzare e supportare i risultati sperimentali ottenuti al punto precedente. Una ricerca sistematica è stata effettuata allo scopo di identificare nuove possibili fasi di superficie di Sn o ossidi di Sn supportate su Pt (110). In questo modo, tre leghe di superficie (di cui una risulta già nota in letteratura) e due ossidi di superficie su Pt (110) sono stati identificati. Le due innovative leghe da film UT, la p(3 × 1) PtSn / Pt (110) e la p(6 × 1) PtSn / Pt (110) possono essere sintetizzate mediante deposizione di Sn su Pt (110), preparando spessori diversi e sottoponendo le superfici così ottenute a trattamenti termici effettuati a diverse temperature. Conseguentemente, l’ossidazione ad alta temperatura delle leghe superficiali ha permesso l’ottenimento di due nuove fasi ossidate di superficie, la (c(2 × 4) SnOx / Pt (110) e la c(4 × 2) SnOx / Pt (110). Infine, data l’elevata flessibilità delle tecniche di preparazione e caratterizzazione offerte dalla scienza delle superfici, è stato possibile delineare con grande accuratezza un diagramma di fase sia per le leghe che per gli ossidi di superficie sopra descritti. Le due nuove leghe superficiali sono state caratterizzate mediante diffrazione di elettroni a bassa energia cinetica (LEED), microscopia a scansione ad effetto tunnel (STM) e spettroscopia di fotoemissione da radiazione di sincrotrone (SRPES). Le immagini STM delle due leghe superficiali sono caratterizzate da una struttura a righe altamente corrugata; i dati di fotoemissione indicano inoltre un complesso intermixing tra Pt e Sn che porta alla formazione di leghe localizzate in prossimità della superficie. Alcuni modelli per le due superfici così ottenute sono state proposte sulla base delle evidenze sperimentali. Tali modelli sono stati poi confrontati con calcoli DFT; in particolare, sono state generate simulazioni di immagini STM che sono state quindi confrontate con i dati sperimentali ed usate come valutazione finale della validità dei modelli proposti. La reattività delle leghe di superficie rispetto al CO è stata studiata sia sperimentalmente, mediante desorbimento termico programmato (TPD), sia ricorrendo a calcoli DFT. I risultati rivelano una scarsa reattività delle due superfici nei confronti del CO a causa dell’energia di adsorbimento inferiore rispetto alla stessa superficie di Pt (110) presa come riferimento; tale fenomenologia indica pertanto il promettente impiego di tali sistemi come catalizzatori caratterizzati da elevata tolleranza al CO. Come già descritto per le leghe di superficie, i due ossidi superficiali (c(2 × 4) SnOx / Pt (110 ) e c(4 × 2) SnOx / Pt (110) ), sono stati studiati mediante LEED, STM e SRPES. Alcuni modelli per le due superfici sono stati proposti sulla base dei risultati sperimentali, la cui validità è stata supportata da calcoli DFT. Il buon accordo tra le immagini STM simulate e i dati sperimentali suggeriscono una buona affidabilità delle strutture proposte. La reattività verso il CO per le due fasi ossidate è stata inoltre indagata mediante TPD supportata da calcoli quantomeccanici. La struttura c(4 × 2), costituita da uno strato UT di SnOx sub-stechiometrico, ha dimostrato di essere poco reattiva, mentre la fase più ossidata c(2 × 4) ha dimostrato di essere in grado di ossidare efficacemente il CO. Lo studio della decomposizione del metanolo sulla fase c(2 × 4), effettuato mediante TPD e SRPES, indica come il metanolo possa essere ossidato in modo efficiente a CO2 e H2O. Tuttavia, i dati sperimentali indicano un meccanismo di ossidazione piuttosto complesso, la cui selettività cambia dinamicamente in base alle condizioni sperimentali. Ad ogni modo, la fase completamente ossidata c(2 × 4) può facilmente ossidare il metanolo a CO2 già a bassa temperatura, tuttavia tale reattività viene progressivamente soppressa non appena inizia la riduzione della fase con la perdita di ossigeno reticolare. In questo regime l’ossidazione del metanolo a CO2 richiede temperature più elevate; in particolare, il meccanismo microscopico della reazione implica la fornitura di ossigeno da parte della fase c(2 × 4) ad isole ridotte di Pt o PtSn, siti nei quali avviene effettivamente la reazione di ossidazione. Con il procedere della decomposizione del metanolo, il progressivo consumo di ossigeno porta ad una drastica soppressione della diffusione di superficie di quest’ultimo. In questo modo, il metanolo viene semplicemente deidrogenato a CO e H2 analogamente a quanto accade sulla superficie pulita di Pt (110), sebbene a temperature inferiori.