Preparation of platinum catalysts on carbon support for polymer electrolyte membrane fuel cell using strong electrostatic adsorption technique

การเตรียมตัวเร่งแพลตินัมบนตัวรองรับคาร์บอนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงพอลิเมอร์อิเล็กโทรไลท์เมมเบรนด้วยเทคนิคการดูดซับของไฟฟ้าสถิตเข้มข้น

Name: Sukanya Pothaya

LCSH: Platinum catalysts

LCSH: Fuel cells

LCSH: Polymer engineering

LCSH: Electric conductivity

Abstract: In the polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell development, the catalytic activity requires a small particle size, a high metal dispersion, high conductivity, and long durability. The study was to prepare the platinum on graphene as the catalysts and the strong electrostatic adsorption (SEA) technique was used to adsorb Pt precursors onto supported graphene for better catalytic activity for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The Pt/graphene using the SEA technique with considering the pH shift and the point of zero charge (PZC) of graphene were acquired at pH of about 5.2. The cationic precursor (i.e., platinum tetra-ammine ([NH3)4 P1]2t or PTA) was chosen due to the mid-to-low PZC. After the graphene surface was treated to be an anionic substrate, the PTA was added and adsorbed onto the graphene by electrostatic force. After the SEA process, the samples were examined the Pt loading by inductively coupled plasma spectroscopy (ICP) to consider Pt percent weight. The crystalline Pt particles onto the supported graphene were made after the reduction in the hydrogen environment. The second adsorption including the reduction was repeated to obtain the high Pt percentage around 20%wt. The different post-treatments were applied to the reducing: (1) heat treatment at 400, 500, 600, 700, and 750 C for 2 hours and (2) Aging time. The average particle sizes (ca. 2.2 nm) and distribution of Pt were inspected using transmission electron microscopy (TEM), where the crystalline structures were verified by X-Ray diffraction (XRD). The oxidation states of platinum on graphene support of the catalyst were determined by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Electrochemical properties were tested using cyclic voltammetry (CV) and the accelerated durability test (ADT) was also carried out. The oxygen reduction reaction (ORR) was also carried out, where the specific activity was examined. It was observed from ADT that the ORR activity loss about 40%. Furthermore, the ORR was performed to verify the first-order reaction, as well as to determine the mechanism pathway for four- electron transfer. Moreover, the kinetic constant of the ORR was also estimated. The optimal post-treatment is 600 C. So, the Pt/graphene catalysts after post-treatment at 600 C for 2h have the best electrochemical performance in term specific activity as 764 HA cm2. Moreover, the polarization for single-cell fuel cell results showed that the catalytic activity and the stability of Pt/graphene can be improved by post-treatment and the performance is better than commercial Pt/C catalyst (around 1.2- fold).

Abstract: ในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงพอลิเมอร์อิล็กโทร ไลต์เมมเบรน(PEM) ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นหนึ่งในหัวใจหลักในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีนั้นจะต้องมีขนาดอนุภาคที่เล็ก มีการกระจายตัวของโลหะและการนำไฟฟ้าสูง นอกจากนี้ยังต้องมีความเสถียรสูง มีอายุการใช้งานที่ยาวนานในการเร่งปฏิกิริยา จึงเป็นที่มาของจุดประสงค์ของงานวิจัยคือ การเตรียมแพลทินัมบนกราฟีนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและใช้เทคนิดการดูดซับไฟฟ้าสถิต (SEA) ที่เข้มขันเพื่อดูดชับสารตั้งต้นแพลทินัม (Pt) ลงบนตัวรองรับคาร์บอนชนิดกราฟีน เพื่อให้ได้การเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้นสำหรับใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงพอลิเมอร์อิเล็กโทร ไลด์เมมเบรน การสังเคระห์ Pt/ graphene โดยใช้เทคนิค SEA นั้นจะต้องพิจารณาถึงค่า pH ที่ทำให้ประจุไฟฟ้าบนตัวรองรับกราฟีนมีค่าเป็นศูนย์ (PZC) ซึ่งมีค่า pH อยู่ประมาณ 5.2 ดังนั้น platinum tetra-ammine (NH3:)4 Pt2+ หรือ PTA จึงเป็นสารตั้งต้นของประจุบวกที่เหมาะสมในการเลือกใช้ เนื่องจาก PZC ระดับกลางถึงต่ำ หลังจากพื้นผิวกราฟีนได้รับการปรับให้เป็นสารตั้งต้นที่มีประจุลบแล้ว PTA จะถูกเดิมและดูดซับลงบนกราฟีนด้วยแรงไฟฟ้าสถิต ตัวเร่งปฏิกิริยาที่สังเคราะห์ได้สามารถนำไปหาค่าปริมาณโลหะแพลตินัมด้วยเครื่องวิเคราะห์ โลหะหนัก ICP เพื่อพิจารณาน้ำหนักเปอร์เซ็นต์แพลหินัม( % wt.Pt) ของอนุภาคผลึกแพลตินัมบนตัวรองรับกราฟีนหลังจากเปลี่ยนแพลตินัมไอออนเป็นโลหะแพลตินัมในสภาพแวดล้อมไฮโครเจนแล้วทำการดูดซับครั้งที่สองเพื่อให้ได้เปอร์เซ็นต์แพลทินันอยู่ที่ประมาณ 20% wt. หลังจากนั้นทำการบำบัดทางความร้อนที่แตกกต่างกันเพื่อหาสภาวะที่เหมาะสม คือ (1) การบำบัดทางความร้อนที่ 400, 500, 600, 700 และ 750 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง และ (2) ผลของระยะเวลาในการบำบัดทางด้านความร้อน โดยขนาดอนุภาคเฉลี่ยของตัวเร่งปฏิกิรยาที่ได้ ประมาณ 2.2 นาโนเมตร และการกระจายของแพลทินัมได้ดี โดยได้รับการตรวจสอบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ซึ่งโครงสร้างผลึกได้รับการตรวจสอบโดยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และสถานะออกซิเดชั่นของแพลตตินัมบนการรองรับคาร์บอนของตัวเร่งปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยสเปกโตรสโกปี โฟโสอิเล็กตรอนด้วยรังสีเอ็กซ์ (XPS) คุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าได้รับการทดสอบโคยใช้ไซคลิกโวลแทมเมครี(CV) และทำการทดสอบความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยา (ADT) ด้วย ปฏิริยาการลดออกซิเจน (ORR) ซึ่งพบว่าค่า มีการสูญเสียกิจกรรม ORR ลดน้อยลงถึง 40% หลังจากทดสอบความทนทานไป 4000 รอบ นอกจากนี้ยังพบว่า ปฏิกิริยาได้ดำเนินการตามกลไก โดยเป็นปฏิกิริยาอันดับหนึ่งและมีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสี่ตัวเป็นไปตามทฤยฎี นอกจากนี้พบว่า ค่าคงที่จลน์ศาสตร์ของปฏิกิริยา ORR หลังจากการบำบัดทางความร้อนที่เหมาะสมที่สุดคือ 600 C ดังนั้นตัวเร่งปฎิกิริยา Pt/graphene หลังการบำบัดหลังการบำบัดที่ 600 C เป็นเวลา 2 ชั่วโมงมีประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้ที่ดีที่สุด โดยมีค่าแอคติวิตี้จำเพาะเท่ากับ 764 A cm-2 ซึ่งไปกว่านั้นประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการทคสอบในเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดียว พบว่า ประสิทธิภาพของการเร่งปฏิกิริยาและความเสถียรของ Pt/graphene สามารถปรับปรุงได้โดยหลังการบำบัดและประสิทธิภาพจะดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C เชิงพาณิชย์อยู่ (ประมาณ 1.2 เท่า)

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Paweena Prapainainar

Role: Chairman

Name: Konlayutt Punyawudho

Role: Member

Name: Chatchawan Chaichana

Role: Member

Name: Attakorn Asanakham

Role: Member

Name: Faifan Tantakitti

Role: Member

Created: 2021

Modified: 2022-08-20

Issued: 2022-08-20

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Energy Engineering

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	580651027.pdf	4.23 MB

ใช้เวลา

0.040267 วินาที