Electrocatalysts and their Supporting Materials for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Activity and Durability Studies

摘要

Denne afhandling beskriver gennemførte undersøgelser, som omhandlende aktiviteten, stabiliteten og holdbarheden af ”supported” nano-partikler, ”bulk”- og tyndfilms - elektrokatalysatorer brugt i proton exchange membran brændselsceller (PEMFCs). Virkningen af forskellige faktorer og betingelser i reaktionerne, der involverede oxygen reduktion, carbonmonoxid og metanol elektro-oxidationsreaktioner er blevet undersøgt. De anvendte katalysatorer blev karakteriseret elektrokemisk og fysisk-kemisk ved brug af teknikker såsom: cyklisk voltammetri, roterende ”disk” elektrode teknik, SEM, TEM, EDS, XPS, TGA/DTA, Raman, XRD, FTIR-IR samt andre metoder. Afhandlingen begynder med en introduktion i kapitel 1, der giver et overblik over brændselsceller, deres tilhørende reaktionsmekanismer, katalysatorer og katalysator-bærere. Kapitel 2 præsenterer den teoretiske baggrund for projektet samt udstyr og teknikker brugt til at analysere katalysatorerne. Efterfølgende er der givet eksempler på elektrokemisk karakterisering af elektrokemiske overfladeområder fulgt af en beskrivelse af roterende ”disk” elektrode (RDE) principper og opsætning. Dernæst er bestemmelse af oxygen reduktion aktivitet og carbonmonoxid elektro-oxidations voltammetri beskrevet i forbindelse med levetids procedurer. En væsentlig del af phd-projektet indebar udvikling af elektrokemisk instrumentering og teknikker såsom: RDE og opsætning, oxygen reduktion, methanol og CO elektro-oxidation, levetids procedurer, osv. Teknikkerne der anvendtes af forfatteren var selvlærte eller indlærte ved samarbejde med erfarne medarbejdere gennem de første år af phd-projektet. I de fremskredne stadier af projektet blev disse teknikker anvendt dagligt af DTU Proton Conductors gruppen. Derudover opnåede forfatteren et højt færdighedsniveau i at betjene følgende instrumenter: TEM (FEI Tecnai T20 G2), EDS, AFM, XRD (PANalytical Multipurpose Diffractometer) og FTIR-IR. Kapitel 3 beskriver resultaterne af syntese og afprøvning af Pt nano-partikel katalysatoren som er understøttet af PBI dækket grafen til oxygen reduktion reaktioner i PEMFCs. Fysiskkemisk materiale karakterisation, fremstillingsprocedurer for tyndfilm RDE elektroder, katalysator ”ink” sammensætning, oxygen reduktions reaktionsaktivitet, elektrokemisk overflade – og levetidsstudier er også beskrevet i detalje. Endelig præsenteres i kapitel 4 de opnåede resultater angående de nye ”bulk” Pt-Si legeringskatalysatorer brugt i methanol og carbonmonoxid elektro-oxidation. Det omtalte arbejde er udført i samarbejde med The Electrochemical Energy Lab (EEL), Massachusetts Institute of Technology (MIT), U. S. Fremstilling og strukturelle karakterisation metoder brugt til ”bulk” og overflade sammensætning af Pt-Si legeringer er også repræsenteret. Elektrokemisk karakterisation viste en gradvis forbedring af carbonmonoxid og methanol elektro-oxidation når et højere Si indhold blev anvendt i Pt-Si legeringen. Kapitel 5 beskriver fremstillingen, materiale karakteris og indledende elektrokemiske målinger af methanol elektro-oxidation for ALD Pt- film på Si(100) og Pt-Si legeringer på Si(100). ALD Pt- filmene på Si(100) blev efterfølgende opvarmet ved forskellige temperaturer for at opnå Pt-Si legerings-film på Si(100). De fremstillede legeringer blev efterfølgende karakteriseret som potentielt højaktive methanol oxidation katalysatorer baseret på konklusioner fra kapitel 4. Kapitel 6 består af afsluttende bemærkninger og beskriver mulige fremtidige forskningsemner. Kapitel 7 indeholder Appendikser.