Synthesis, physico-chemical and electrochemical characterization of Pt/La-doped CeO2 catalysts for the oxygen reduction reaction in PEMFC

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) represent a promising solution for green mobility and an attractive alternative to traditional energy sources. Yet, their commercial application remains challenging due to issues related to performance, durability and cost. Platinum-based catalysts are highly active for Oxygen Reduction Reaction (ORR); however, they suffer from nanoparticle growth, metal dissolution and carbon support corrosion mechanisms. This study examines La-doped CeO2 as an oxide support for Pt catalysts, aiming to improve the radical scavenging ability of CeO2 towards OH· species that promote degradation mechanisms. A comparative experimental investigation of synthesis routes was carried out, followed by comprehensive physico-chemical characterization (XRD, Raman Spectroscopy, ICP–MS, TEM). UV-Vis measurements during Fenton’s reaction were employed to evaluate the radical scavenging ability of the differently La-doped cerium oxides. Catalyst durability was investigated via Gas Diffusion Electrode (GDE) accelerated stress tests comparing Pt/20% La-doped CeO2, Pt/CeO2 and Pt/C catalysts. This approach was designed to assess how the support’s radical scavenging characteristics may influence the stability of the catalyst under PEMFC operating conditions.

Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) rappresentano una soluzione promettente per la mobilità sostenibile e una valida alternativa alle fonti energetiche tradizionali. Tuttavia, la loro applicazione commerciale presenta molteplici ostacoli a causa di problematiche legate alle prestazioni, durabilità e costi. I catalizzatori a base di platino mostrano un’elevata attività per la reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR); tuttavia, sono soggetti a fenomeni di crescita delle nanoparticelle, dissoluzione del metallo e corrosione del supporto carbonioso. In questo studio, il CeO₂ drogato con lantanio (La) è stato esaminato come supporto per catalizzatori a base di Pt, con l’obiettivo di migliorare la capacità di “radical scavenging” del CeO₂ nei confronti delle specie OH· che favoriscono i meccanismi di degradazione. È stata condotta un’indagine sperimentale comparativa sulle diverse vie sintetiche, seguita da una caratterizzazione fisico-chimica approfondita (XRD, spettroscopia Raman, ICP–MS, TEM). Le misure UV-Vis durante la reazione di Fenton sono state utilizzate per valutare la capacità di “radical scavenging” degli ossidi di cerio drogati con lantanio. La durabilità dei catalizzatori è stata indagata mediante test di stress accelerati con elettrodo a diffusione di gas (GDE), confrontando catalizzatori Pt/20% La-doped CeO₂, Pt/CeO₂ e Pt/C. Questo approccio è stato sviluppato per valutare in che modo le proprietà di “radical scavenging” del supporto possano influenzare la stabilità del catalizzatore in condizioni operative tipiche delle PEMFC.