Electrochemical evaluation of thin-layer catalysts in polymer electrolyte fuel cells
Tid: Fr 2024-11-29 kl 09.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_UwN3VxAFRruM-foeenvOtA
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Eva Marra , Tillämpad elektrokemi
Opponent: Professor Kaido Tammeveski, University of Tartu, Estland
Handledare: Professor Carina Lagergren, Tillämpad elektrokemi; Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi; Professor Rakel Wreland Lindström, Tillämpad elektrokemi
QC 20241107
Abstract
Bränsleceller utvecklas som ett bra alternativ för transporter utan utsläpp, genom att de omvandlar kemisk energi till användbar elektricitet, med värme och vatten som de enda biprodukterna. Inom bilindustrin är sura protonledande membranbränsleceller (PEMFCs) det mest lämpliga alternativet, men det höga priset begränsar möjligheterna att konkurrera med andra tekniker. Anjonledande membranbränsleceller (AEMFC) i alkalisk miljö tillåter användningen av billigare material, men dessa material är inte tillräckligt undersökta och etablerade mätmetoder och stabila referensmaterial saknas fortfarande. Med fokus på elektrokatalys, så beskriver den här avhandlingen hur olika experimentella metoder kan användas för att utvärdera kinetiken i tunnskiktskatalysatorer i realistiska bränslecellsmiljöer, huvudsakligen alkaliska.
Genom användning av en speciell cell med dubbla MEA (membrane electrode assembly) studerades kinetiken för syrgasoxidationsreaktionen (ORR) på ett tunt skikt av platina (Pt) i alkalisk miljö, utan störningar orsakade av materietransportbegränsningar och gas-crossover. ORR-kinetiken på ett skikt av silver (Ag) utvärderades också och jämfördes med Pt. Även den snabba kinetiken för väteoxidationsreaktionen (HOR) och vätgasutveckling (HER) studerades på en alkalisk tunnskiktskatalysator av Pt. I sur miljö utvärderades stabiliteten av ORR på ett skikt av platinayttrium (Pt3Y) genom ett accelererat stresstest.
Resultaten visade att användningen av dubbla MEA är idealisk för att studera kinetik. På Pt begränsade det extra MEA:t vätgascrossover, vilket resulterade i reproducerbara specifika ORR-aktiviteter som är jämförbara med dem på bra porösa elektroder. Jämfört med Pt uppvisade Ag en senare startpotential för ORR på grund av en blandpotential orsakad av Ag-oxidation. Ag-skiktet presterade bättre än Pt under 0,5 V medan dess stabilitet vid högre spänningar påverkades av bildningen av Ag-oxider. När det gäller Pt3Y så minskade ORRaktiviteterna efter AST för alla spänningar och var då snarlika dem för ren Pt före AST. Minskningen av ORR-aktivitet för Pt3Y berodde på en ökning av tjockleken och en förändrad spänning i det översta skiktet av Pt. HERaktiviteterna på Pt i sura PEM-förhållanden var två till tre tiopotenser högre än i alkalisk AEM-miljö. För HOR reducerades skillnaden till cirka en tiopotens. Genom att jämföra resultaten med olika reaktionsmekanismer, så kan HOR/HER-kinetiken på Pt i sur miljö kopplas till Tafel-Volmer-mekanismen, med Volmer-reaktionen som det hastighetsbestämmande steget. I fallet med Pt i alkalisk miljö, kan HOR/HER-kinetiken kopplas till Heyrovksy-Volmermekanismen, också där med Volmer-steget som hastighetsbestämmande.