Tracking Nafion Evolution in a Humidified Environment through Near-Ambient Pressure X-Ray Photoelectron Spectroscopy
Notice bibliographique
Résumé
Near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (nAP-XPS) affords unparalleled insight into the physicochemical processes that drive electrocatalytic devices.1 Studies featuring nAP-XPS span a broad range of materials and reactions, with many focused on thin films or other well-defined materials. Experiments featuring a water vapor atmosphere, or a humidified atmosphere (often with O2 or H2 as the other vapor component) have been effectively used to study the fundamentals of the electrocatalytic reactions occurring in polymer electrolyte membrane fuel cells and water electrolyzers (PEMFCs and PEMWEs).2,3 However, many of these studies have solely focused on the interaction between gas and catalyst, even if ionomer was also present within the catalyst layer. This talk focuses on the investigation of the evolution of ionomer species, and the catalyst-ionomer interface under conditions relevant to the operation of PEM devices. Analyzing the catalytically relevant surfaces and interfaces present in PEMFC and PEMWE electrodes with nAP-XPS is a complex challenge, due in part to the subtlety of the changes induced in nAP-XP spectra by interactions between the catalyst, ionomer, and gas. Adsorption of a gaseous reactant species onto a catalyst’s surface results in a weak interaction and a small chemical shift in the adsorbent species,5 while ionomer may undergo protonation, re-orientation or degradation upon exposure to reactants, also altering the spectra. Indeed, few studies feature XPS measurements of Nafion, as it has been shown to degrade over the course of standard XPS operation.6 This issue is likely exacerbated through the use of much more intense synchrotron radiation sources most commonly used for nAP-XPS experiments in the literature. Within this work, we present an evaluation of the degree of Nafion degradation during our measurements using a unique Scienta Omicron HiPP-3 nAP-XPS system, and the results of an approach to data collection developed to mitigate the induced damage. This enables the reliable study of both Nafion films and Nafion present within platinum-catalyst based PEMFC cathodes in a water vapor atmosphere using a laboratory-based, commercially available nAP-XPS system. This work lays the foundation for future study of different classes of electrocatalysts at the electrode scale, with the goal of deconvoluting complex changes at the electrode surfaces and interfaces, both in inert and catalytically relevant environments. (1) Starr, D. E.; Liu, Z.; Hävecker, M.; Knop-Gericke, A.; Bluhm, H. Investigation of Solid/Vapor Interfaces Using Ambient Pressure X-Ray Photoelectron Spectroscopy. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 5833–5857. (2) Yamamoto, S.; Bluhm, H.; Andersson, K.; Ketteler, G.; Ogasawara, H.; Salmeron, M.; Nilsson, A. In Situ X-Ray Photoelectron Spectroscopy Studies of Water on Metals and Oxides at Ambient Conditions. J. Phys. Condens. Matter 2008, 20 (18). (3) Casalongue, H. S.; Kaya, S.; Viswanathan, V.; Miller, D. J.; Friebel, D.; Hansen, H. A.; Nørskov, J. K.; Nilsson, A.; Ogasawara, H. Direct Observation of the Oxygenated Species during Oxygen Reduction on a Platinum Fuel Cell Cathode. Nat. Commun. 2013, 4. (4) Saveleva, V. A.; Savinova, E. R. Insights into Electrocatalysis from Ambient Pressure Photoelectron Spectroscopy. Curr. Opin. Electrochem. 2019, 17, 79–89. (5) Dzara, M. J.; Artyushkova, K.; Shulda, S.; Strand, M. B.; Ngo, C.; Crumlin, E. J.; Gennett, T.; Pylypenko, S. Characterization of Complex Interactions at the Gas − Solid Interface with in Situ Spectroscopy : The Case of Nitrogen-Functionalized Carbon. J. Phys. Chem. C 2019, 123 (14), 9074–9086. (6) Paul, D. K.; Giorgi, J. B.; Karan, K. Chemical and Ionic Conductivity Degradation of Ultra-Thin Ionomer Film by X-Ray Beam Exposure. J. Electrochem. Soc. 2013, 160 (4), F464–F469.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».