Fe3O4 nano-octahedra and SnO2 nanorods modifying low-Pd amount electrocatalysts for alkaline direct ethanol fuel cells

Autor(es)

Gentil, Tuani C. ; Lucchetti, Lanna E. B. ; Moura, Joa Paulo C. ; Silva, Julio Cesar M. ; Minichova, Maria ; Briega-Martos, Valentin ; Trench, Aline B. ; Batista, Bruno L. ; Cherevko, Serhiy ; Santos, Mauro C.

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: Electrochimica Acta; v. 535, p. 16-pg., 2025-09-20.

Resumo

This work describes the ethanol oxidation reaction (EOR) in alkaline medium using low-palladium nanoparticle electrocatalysts modified by Fe3O4 nano-octahedra and SnO2 nanorods. Operation studies on an alkaline direct ethanol fuel cell (ADEFC) were conducted using the developed electrocatalysts, and stability studies were performed using the advanced scanning flow cell (SFC) technique combined to inductively coupled plasma mass spectrometry (online SFC-ICP-MS). The EOR was catalyzed by single (Pd/C and commercial Pd/C Alfa Aesar) and by synthesized binary/ternary electrocatalysts, in which Fe3O4 and SnO2 nanostructures partially replaced the high-cost noble metal. The PdFe3O4/C was identified as the most promising synthesized material in the electrochemical studies, exhibiting the highest mass activity (1426 mA mg-1 Pd) by cyclic voltammetry (CV), followed by the binary PdSnO2/C (1135 mA mg-1 Pd), and by the ternary (1074 mA mg-1 Pd). This enhancement was attributed to the bifunctional mechanism enabled by Fe3O4 and SnO2, therefore reducing poisoning and improving the EOR. Moreover, the operating results revealed that PdFe3O4/C showed the highest power density among the synthesized materials (31 mW cm-2 at 70 degrees C), even with a-45 % reduction in Pd content compared to the commercial. The XPS results showed that the Pd 3d5/2and 3d3/2peaks for PdFe3O4/C, PdSnO2/C, and PdFe3O4SnO2/C were shifted by-0.5 eV to higher binding energies compared to Pd/C, indicating a loss of electron density in Pd due to strong metal-oxide interactions. These interactions led to a downward shift in the Dband center of Pd, weakening the Pd-adsorbed bonds, facilitating the desorption of intermediates, and improving the catalyst tolerance to toxic species. Furthermore, the higher proportion of Pd oxides in the binary and ternary materials appeared to contribute to the supply of oxygenated species required for the oxidation of EOR intermediates. Thus, the observed enhancement resulted from synergistic bifunctional and electronic effects. Finally, online SFC-ICP-MS studies showed that Fe3O4 nano-octahedra contributed to the enhanced stability of the electrocatalyst, as PdFe3O4/C exhibited less Pd dissolution and no Fe dissolution. (AU)

• Processo FAPESP: 18/18675-8 - Eletrocatalisadores nanoestruturados baseados em PT, PD e óxidos de baixo custo para aplicações em energia e meio ambiente
• Beneficiário: Tuani Carla Gentil
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 17/22976-0 - Desenvolvimento de nanoeletrocatalisadores de paládio e nióbio para células a combustível de etanol direto alcalinas
• Beneficiário: Felipe de Moura Souza
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 17/10118-0 - Estudo e aplicação da tecnologia eletroquímica para a análise e a degradação de interferentes endócrinos: materiais, sensores, processos e divulgação científica
• Beneficiário: Marcos Roberto de Vasconcelos Lanza
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 22/12895-1 - Processos avançados para a degradação de poluentes emergentes: materiais catalíticos, sensores eletroanalíticos e divulgação científica
• Beneficiário: Marcos Roberto de Vasconcelos Lanza
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 17/26288-1 - Eletrocatalisadores híbridos baseados em nanopartículas de Pd, Pt e Sn, e em nanobarras de céria para aplicação em células a combustível
• Beneficiário: Victor dos Santos Pinheiro
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 21/05364-7 - Eletrocatalisadores nanoestruturados baseados em óxidos de manganês e tungstênio suportados em carbono visando eletrogeração de peróxido de hidrogênio e degradação eletroquímica de ciprofloxacino
• Beneficiário: João Paulo Carvalho Moura
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 22/15252-4 - Eletrocatalisadores nanoestruturados para aplicação em células a combustível alcalinas-ácidas diretas de glicerol
• Beneficiário: Mauro Coelho dos Santos
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa BIOEN - Regular
• Processo FAPESP: 21/14394-7 - Utilização de carbono Vulcan XC-72 modificado com nanoestruturas de nióbio dopadas com fluor e/ou cério na eletrogeração de H2O2 para degradação de desreguladores endócrinos por processos eletroquímicos oxidativos avançados
• Beneficiário: Aline Barrios Trench
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 21/10033-0 - Análise online da dissolução de eletrocatalisadores à base de paládio em meio alcalino
• Beneficiário: Tuani Carla Gentil
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Processo FAPESP: 20/14100-0 - Eletrodos a base de niobato de sódio decorados com WO3 e CeO2 para degradação do agrotóxico organofosforado acefato por processos eletroquímicos oxidativos avançados
• Beneficiário: Felipe de Moura Souza
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 17/21846-6 - Nanoestruturas para a remediação ambiental e produção de energia a partir de fontes renováveis
• Beneficiário: Mauro Coelho dos Santos
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa BIOEN - Regular