An investigation into carbon nanostructured materials as catalyst support in proton exchange membrane fuel cells

Bidragets oversatte titel: Undersøgelse af kulstofnanomaterialer som katalysatorbæremateriale i polymerelektrolytbrændselsceller

Sune Veltzé

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

Abstrakt

Polymer elektrolyt brændselsceller (PEFCer) er et af de vigtigste forskningsområder indenfor bæredygtig, omkostningeffektiv energi. Kulnanofibre (CNF), enkeltvæggede kulnanorør (SWCNT), flervæggede kulnanorør (MWCNT) og lignenede materialer er mulige efterfølgere af kulstof sort bæremateriale for lavt platinindeholdende elektrokatalysatormaterialer. Dette skyldes til dels disse materialers store overfladeareal, der er nødvendig for god spredning af nanopartikulære metal-clusters. Derudover er kulnanostrukturer (CNF, SWCNT, MWCNT etc.) mere holdbare end kulstof sort. Selv da er holdbarheden af platinkatalysatormaterialerne et stort problem for holdbarheden af brændselscellen under brug.

For at evaluere platinindeholdende elektrokatalysatorer til protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC), er den roterende skiveelektroder (RDE) og roterende ringskive elektroder (RRDE) kombineret med tyndfilms applikationsmetoden en nem og direkte metode, der kan evaluere kinetikken for specifikke reaktioner. Dette skyldes den RDE og RRDE velbeskrevne hydrodynamik og har derfor meget veldefinerede strømningsegenskaber af elektrolytten. Ved at benytte tyndfilmsmetoden antages det at strømmen, der skyldes diffusionen gennem nafionlaget, er negligibelt, hvorved matematisk tilpasning undgåes.
For at anvende tyndfilmsmetoden på ordnede graphenlag i nanostørrelsen kræves der ekstra forudsætninger, sammenlignet med de normale disperionsmetoder, da de svage Van-der-Waals kræfter forhindrer solvatisering og dispersion af disse kulnanostrukturer. idet dispersioner af SWCNT, MWCNT og CNF udviser kolloiddispersion består den mest anvendte dispersionsmetode af solvatisering i organiske solventer, en blanding af vand og et i vand blandbart organisk solvent eller benyttelsen af dispersionshjælpere i vandig opløsninger. Brugen af disse metoder kan dog i visse tilfælde medføre mulige konsekvenser for reaktionskinetikken.

Solvatiseringen af et kommercielt tilgængeligt CNF-produkt er blevet undersøgt, ved brug af disse tre metoder, og tyndfilmselektroder tilberedt herved, som bliver brugt til karakteriseringen af forskellige platindækkede CNF og MWCNT for at evaluere deres anvendelighed som katalysator for hydrogen oxidationsreaktionen (HOR) og oxygen reduktionsreaktionen (ORR) i brændselsceller. Nødvendigheden af dispersionshjælpere blev udledt da de elektrokemiske RDE og RRDE ikke overholdt de teoretisk nødvendige forhold. Brugen af dispersionshjælpere nødvendiggjorde at gen-evaluere tyndfilmsmetoden, således at hjælpestoffets effekt på kinetikken kunne tilsidesættes.

Derudover, blev der ud fra forskellige karakteriseringsmetoder evalueret effekten af korroderende syre behandling på Vapour Grown Carbon Fibers™ produceret af Showa Denko K. K.

Fra disse fibre, blev tolv platindækkede prøver undersøgt. En af prøverne var platiniseret vha. platin phtalocyanin impregnerings metoden, to var platiniseret vha. polyol metoden og de resterende vha. Bönnemann impregnerings metoden. Derudover blev to prøver, der var platindækkede fibre lavet af tynd CNF-struktur leveret af Showa Denka K. K. og platiniseret vha. polyol metoden, evalueret sammen med to andre platiniserede MWCNT-prøver impregneret vha. Bönnemann metoden.
Bidragets oversatte titelUndersøgelse af kulstofnanomaterialer som katalysatorbæremateriale i polymerelektrolytbrændselsceller
OriginalsprogEngelsk
Udgiver
StatusUdgivet - 2011

Fingeraftryk Dyk ned i forskningsemnerne om 'Undersøgelse af kulstofnanomaterialer som katalysatorbæremateriale i polymerelektrolytbrændselsceller'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater