Κυψελίδες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης: παρασκευή, χαρακτηρισμός και μελέτη νέων καθοδικών καταλυτών και υποστρωμάτων καθοδικών καταλυτών

Abstract

Αντικείμενο μελέτης της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η παρασκευή και η διερεύνηση των ιδιοτήτων νέων καθοδικών καταλυτών (PdxFey/C) και υποστρωμάτων καθοδικών καταλυτών (TCMSs) για κυψελίδες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης. Πιο αναλυτικά, στο 1° Κεφάλαιο παρουσιάζονται διεξοδικά οι στόχοι και τα κίνητρα για την πραγματοποίηση της συγκεκριμένης εργασίας, ενώ στο 2° Κεφάλαιο πραγματοποιείται μία σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση των ερευνητικών προσπαθειών που έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια στην κατεύθυνση της βελτιστοποίησης της απόδοσης των κυψελίδων καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης άμεσης τροφοδοσίας αλκοόλης. Στη συνέχεια, στο 3°Κεφάλαιο παρουσιάζεται εν συντομία το θεωρητικό υπόβαθρο των τεχνικών που επιστρατεύθηκαν για το χαρακτηρισμό των παρασκευασθέντων υλικών και τη διερεύνηση της ηλεκτροχημικής τους ενεργότητας, ως προς την αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρατίθενται στα Κεφάλαια 4 και 5. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά παρασκευάσθηκε μία σειρά δι-μεταλλικών καταλυτών παλλαδίου-σιδήρου με υπόστρωμα άνθρακα (PdxFey/C) και εξετάσθηκε τόσο η ενεργότητά τους ως προς την αναγωγική αντίδραση, όσο και η ανθεκτικότητά τους ως προς την οξείδωση των αλκοολών (Κεφ. 4). Για λόγους σύγκρισης, παρασκευάσθηκαν με την ίδια τεχνική καταλύτες λευκόχρυσου (Pt/C), οι οποίοι αποτελούν έως σήμερα τους πλέον διαδεδομένους καθοδικούς καταλύτες για τις κυψελίδες τύπου ΡΕΜ. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, οι παρασκευασθέντες καταλύτες PdxFey/C αποτελούν μία πολλά υποσχόμενη επιλογή ως καθοδικά υλικά σε διατάξεις DA-PEMFC, καθώς παρουσιάζουν αξιόλογη ενεργότητά ως προς την αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου, όντας παράλληλα ανενεργοί ως προς την οξείδωση των αλκοολών, οι οποίες διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη. Τέλος, παρασκευάσθηκαν μικροσφαίρες καρβιδίων του βολφραμίου (Tungsten Carbides Microspheres - TCMSs) μεγάλης ηλεκτροχημικά ενεργούς επιφάνειας, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν ως υπόστρωμα καταλυτών λευκόχρυσου (Pt/TCMSs). Για λόγους σύγκρισης, παρασκευάσθηκαν καταλύτες λευκόχρυσου με υπόστρωμα άνθρακα (Pt/C) και μικροσφαιρών άνθρακα (Pt/CMSs). Η διερεύνηση της ενεργότητάς τους και η μεταξύ τους σύγκριση παρουσιάζεται στο 5° Κεφάλαιο. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, οι καταλύτες Pt/TCMSs παρουσιάζουν ιδιαίτερα υψηλή ενεργότητά ως προς την αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου σε σχέση με τους υπόλοιπους καταλύτες. Η παρατηρηθείσα βελτιωμένη συμπεριφορά αποδίδεται στη μεγάλη ηλεκτροχημικά ενεργή επιφάνεια των συγκεκριμένων καταλυτών και στη συνέργεια μεταξύ του λευκόχρυσου και των καρβιδίων του βολφραμίου. Για τους παραπάνω λόγους, οι μικροσφαίρες των καρβιδίων του βολφραμίου (TMCSs) αποτελούν ένα πολλά υποσχόμενο υπόστρωμα καθοδικών καταλυτών για κυψελίδες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης, ενώ σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα του 4ου Κεφαλαίου, θα άξιζε να διερευνηθεί η χρήση τους ως υπόστρωμα για τους δι-μεταλλικούς καταλύτες παλλαδίου-σιδήρου.