Razvoj sinteze nanodelcev binarnih in ternarnih zlitin platine na ogljikovem nosilcu kot elektrokatalizatorju

doktorska disertacija

Matija Gatalo (Avtor), Miran Gaberšček (Mentor), Marjan Marinšek (Član komisije za zagovor), Boštjan Genorio (Član komisije za zagovor), Dušan Strmčnik (Član komisije za zagovor), Maja Remškar (Član komisije za zagovor)

Povzetek

V času boja proti podnebnim spremembah in za zmanjšanju svetovnih emisij toplogrednih plinov bo uporaba gorivnih celic s protonsko prevodno membrano (PEMFC) igrala pomembno vlogo. Pričakuje se, da bodo PEMFC v prihodnosti v avtomobilski industriji najprej konkurirale in nato zamenjale motor na notranje izgorevanje. Osrčje PEMFC je elektrokatalizator,ki še vedno vsebuje prevelike količine zelo redke surovine –platine (Pt). Trenutno je eden izmednačinovznižanja potrebne Pt kot tudi izboljšanja učinkovitosti za počasno reakcijo redukcije kisika (ORR)je predvsem legiranjez drugimi kovinami prehoda (priprava spojin Pt-M; M = Cu, Ni, Co,...). V prvem delu disertacije najprej razrešujemo problem stabilnosti prejšnje generacije PtCu3/C elektrokatalizatorja, in sicer tako, da kristalno strukturo dopiramo z majhno količino zlata (Au). Nato se osredotočamo na razvoj večjih količin osnovnega katalizatorja PtCu3/C, s tem pa na možnost neposrednega ovrednotenja njegovih karakteristik v industrijskem membransko elektrodnem sklopu (MEA). Cilj smo dosegliz razvojem novega pristopa k sicer že znani metodi galvanske izmenjave (GD), ki smo ga poimenovali metoda dvojne pasivacije. Metoda omogoča pripravo velikih količin visoko zmogljivih Pt-M elektrokatalizatorjev, kar je ključno za hitrejši razvoj in komercializacijo PEMFC. Hkratije enostavna, »zelena«, energetsko učinkovita in izjemno ponovljiva. Poleg tega omogoča veliko fleksibilnost v oblikovanju končnega elektrokatalizatorja, kot je na primer možnost spreminjanja žrtvovane kovine (M), spreminjanja kemijske sestavezlitine (Pt:M), spreminjanja skupne količine nanosa kovine (Pt+M) ali pa celo spreminjanja nosilca, ki je sicer po navadiogljikov material. V drugem delu doktoratase posvečamo izboljšanju razumevanja lastnosti in delovanja PtCu3/C elektrokatalizatorja z uporabo naprednih karakterizacijskih tehnik. Na primer, z uporabo in-situsegrevanja v presevnem elektronskem mikroskopu smo izboljšali razumevanje procesov, do katerih prihaja med temperaturno obdelavo vhodnih spojin. Po drugi strani smo z uporabo pretočne elektrokemijske celice, povezane z induktivno sklopljeno plazmo, ki je sklopljena z masnim spektrometrom (PEC-ICP-MS),izboljšali razumevanje o mehanizmih raztapljanja posameznih kovin, ki sestavljajo zlitine Pt-M. Pridobljeno znanje smo uporabili za razvoj nove metode na osnovi ex-situ kemijske aktivacije z uporabo CO(ex-situCA), s katero smo aktivirali PtCu3/C elektrokatalizator pred vgradnjo v MEA. Meritve optimiranega PtCu3/C elektrokatalizatorja v konfiguraciji MEA so pokazale, da ima slednji v primerjavi s Pt/C referenčnim materialom izboljšane elektrokatalitske lastnosti za ORR tudi v realnem okolju PEMFC.

Ključne besede

sinteza elektrokatalizatorjev;gorivne celice s protonsko prevodno membrano;PEMFC;reakcija redukcije kisika;ORR;platina;Pt-zlitine;dvojna pasivacija;ex-situ kemijska aktivacija;rentgenska praškovna difrakcija;presevna elektronska mikroskopija;doktorske disertacije;

Podatki

Jezik:	Slovenski jezik
Leto izida:	2019
Tipologija:	2.08 - Doktorska disertacija
Organizacija:	UL FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Založnik:	[M. Gatalo]
UDK:	544.478:621.352.6(043.3)
COBISS:	303189760
Št. ogledov:	722
Št. prenosov:	205
Ocena:	0 (0 glasov)
Metapodatki:

Ostali podatki

Sekundarni jezik:	Angleški jezik
Sekundarni naslov:	Synthesis development of binary and ternary alloy nanoparticles of platinum on carbon support as electrocatalyst
Sekundarni povzetek:	In the future, low-temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are expected to compete and eventually replace conventional internal combustion engines in the automotive industry. However, the most vital part of PEMFC -the electrocatalyst -still contains too high quantities of the critical raw material, i.e.platinum (Pt). The state-of-the-art approach of lowering the need for Ptas well as improving the sluggish oxygen reduction reaction (ORR)can be achieved by alloying it with other transition metals(preparation of Pt-M; M = Cu, Ni, Co...). In the first part of the Dissertation,wefirstly tackle the stabilityissueof our previousgenerationof thePtCu3/C electrocatalyst viadoping the crystal structure with gold (Au).In order to bridge the gap between laboratory scale evaluation using thin film rotating disk electrode (TF-RDE) and the industrial membrane electrode assembly (MEA), we have developeda novel approach towards the well-known galvanic displacement (GD) methodusing so-called ‘’double passivation’’ mechanism. The method enables preparation of large quantities of high-performancesupported Pt‐M electrocatalysts which is crucial for faster development and commercialization of PEMFCs. The method is facile, green, energy efficient and highly reproducible. In addition, it offers great flexibility over the catalyst design such as the choice of the sacrificial metal (M), variation of the chemical composition of(Pt:M)alloy, variation of total metal loading (Pt+M) on carbon support or even variation of the carbon support itself. In the second part, we try to improve the understanding of the developed PtCu3/C electrocatalyst using advanced characterization tools. For instance, usingin-situtransmission electron microscopy (TEM) heating, we show that a better understanding of the thermal annealingprocess can be achieved. On the other hand, usingthe electrochemical flow cell connectedto inductively coupled plasma mass spectrometry (EFC-ICP-MS), one cangain understanding ofthe similarities and differences of dissolutionof metals constituting the alloy (Pt and M). Using the obtained knowledge, we demonstrate a developmentof a CO-assisted ex-situchemical activation (ex-situCA) method in order to activate the PtCu3/C electrocatalyst prior to incorporation in the MEA. Lastly, we show that the optimized binary PtCu3/C electrocatalyst can exhibit a better performance than the conventional Pt/C reference cathode material also in the PEMFC relevant environment.
Sekundarne ključne besede:	PEMFC - proton exchange membrane fuel cell;oxygen reduction reaction;Pt-alloys;double passivation;ex-situ chemical activation;Gorivne celice;Disertacije;Elektrokatalizatorji;
Vrsta dela (COBISS):	Doktorsko delo/naloga
Študijski program:	1000381
Konec prepovedi (OpenAIRE):	1970-01-01
Komentar na gradivo:	Univ. v Ljubljani, Fak. za kemijo in kemijsko tehnologijo
Strani:	XXIV, 122 f.
ID:	11374018