Investigation of the Phase transformation in FePtM nanoparticles (M= Ag, Cu) at atomic scale for optimized oxygen reduction catalysis.

by Xu Chen

Doctoral thesis in Physique

Under the supervision of Pierre Ruterana.

Thesis committee President: Tianyou Zhai.

Thesis committee members: Pierre Ruterana, Valérie Potin, Jun Chen, Hao Wang, Yi Wang, Jun Zhang, Qiming Liu.

Examiners: Tianyou Zhai, Valérie Potin.


  • Abstract

    Proton exchange membrane fuel cells are promising as novel energy conversion devices due to their high efficiency and low environmental impact. However, the platinum loadings needed for compensating the poor kinetics in the oxygen reduction reaction hinder their widespread applications in new energy vehicles and stations. Recently, it has become possible to enhance the catalysts activity based on geometrical and/or electronic effects. In this vein, Pt−based binary alloys with ordered structure have demonstrated enhanced activity and durability, while, contributing to decrease the weight of Pt. In this work, we have investigated ordered FePtAg and FePtCu nanoparticles from one‒pot synthesis, with the objective to develop high performance catalysts by improving their activity and durability. In FePtAg, the phase transition to ordered structure was shown to be induced by Ag doping; a high coercivity of 5.23 kOe and ultrafine size FePtAg nanoparticles (3.5 ± 0.5 nm) has been achieved. For the FePtCu nanoparticles, the Cu alloying effect was found to constitute the driving force for ordering. As related to benchmark Pt/C, our optimized core‒shell structured Cu/FePtCu nanoparticles exhibited a mass activity 4 times higher with only 3 % durability attenuation in contrast to 34.2%. Finally, a mass activity of 11.7 times larger than Pt/C was achieved for optimized FePtCu nanoparticles, with core‒shell Cu/FePt structure and truncated‒octahedron shape.

  • Alternative Title

    Etude de la transformation de phase dans les nanoparticules FePtM n(M= Ag, Cu) à l'échelle atomique pour la catalyse optimisée de la réduction de l'oxygène


  • Abstract

    Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons sont prometteuses en tant que nouveaux dispositifs de conversion d'énergie en raison de leur rendement élevé et de leur faible impact sur l'environnement. Cependant, les charges de Pt nécessaires pour compenser la mauvaise cinétique de la réaction de réduction de l'oxygène entravent leurs applications à grande échelle. Récemment, il est devenu possible d'améliorer l'activité des catalyseurs en exploitant des effets géométriques et/ou électroniques. Ainsi, les alliages binaires à base de Pt avec une structure ordonnée ont-ils montré une activité et une durabilité améliorées. Ce travail a étudié des nanoparticules FePtAg et FePtCu ordonnées issues de la synthèse « one‒pot ». Dans FePtAg, nous avons démontré que la transformation vers la structure ordonnée était induite par le dopage Ag; une coercivité de 5.23 kOe et des nanoparticules de FePtAg de taille ultrafine (3.5 ± 0.5 nm) ont été obtenues. Pour les nanoparticules de FePtCu, l’effet d’alliage de Cu s'est avéré constituer la force motrice pour la mise en ordre. En comparaison avec le Pt/C de référence, nos nanoparticules de Cu/FePtCu à structure noyau/coquille optimisées présentent une activité massique 4 fois supérieure avec une atténuation en durabilité de seulement 3% contre 34.2%. Enfin, une activité massique supérieure de 11.7 fois à celle de Pt/C a été obtenue pour des nanoparticules de FePtCu avec une structure cœur/coquille Cu/FePt en forme d’octaèdres tronqués.


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  • Under the title: Investigation of the Phase transformation in FePtM nanoparticles (M= Ag, Cu) at atomic scale for optimized oxygen reduction catalysis.
  • Details : 1 vol. (XII-107 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
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