Geri Dön

Development of non-noble (Co-n/mwcnt) and polybenzimidazole-modified (Pt-pbi/mwcnt) electrocatalysts for high-temperature pem fuel cell applications

Yüksek sıcaklık pem yakıt hücreleri için düşük maliyetli ve yüksek performanslı (Co-n/mwcnt) ve polibenzimidazol (pbı) ile modifiye edilmiş (Pt-pbı/mwcnt) elektrokatalizörlerin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 633731
  2. Yazar: ENİS OĞUZHAN EREN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NECATİ ÖZKAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Energy, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 127

Özet

PEM yakıt hücrelerinin birim maliyetini azaltma ve ticari kullanım alanlarının yaygınlaşmasını sağlama amacı ile yapılan çalışmalarda, mevcut platin grubu değerli metallerden hazırlanmış elektro-katalizörlerin, daha düşük maliyetli ve yüksek performanslı katalizörler ile değiştirilmesi oldukça önem arz etmektedir. Yapılan literatür araştırmaları neticesinde, karbon destekli Metal-N-C (Metal= Fe veya Co) tipi katalizörlerin, katot tarafında gerçekleşen oksijen indirgenme reaksiyonu (ORR) için ticari Pt/C'ye göre özellikle kütle aktivitesi ve kullanım ömrü anlamında yer yer daha iyi veya muadil sonuçlar verdikleri görülmüştür. Bu çalışmada, düşük maliyetli ve yüksek performanslı Co-N/MWCNT tipi katalizörün geliştirilmesi ve alt çalışma olarak da mevcut platin tabanlı elektrokatalizörler için polybenzimidazole polimeri ile modifiye edilmiş karbon nanotüp destek malzemelerinin kullanımı incelenecektir. Çalışmalar sonucunda, Co-N/MWCNT katalizörün başarılı bir şekilde sentezlendiği ve istenilen morfolojik yapıda olduğu, XPS, ToF-SIMS, XRD, Raman ve TEM analizi ile gösterilmiştir. Testler sonucunda kobalt nano-parçacıklarının karbon-nanotüpler üzerinde düzenli biçimde dağınımı ve aktif piridinik Co-N4 bölgelerinin oluşumu gözlemlenmiştir. Piridinik-N oluşumu oksijen indirgenme reaksiyonu için daha fazla elektron yolu sağlarken aynı zamanda katalizörün stabilitesini de arttırmaktadır. Elektrokimyasal karakterizasyon, döner disk elektrot (RDE) metodu ile gerçekleştirilmiş olup bu test sonucunda da Co-N/MWCNT katalizörün, ticari muadillerine benzer sonuçlar vererek oksijen indirgenme reaksiyonları için kullanılabileceği gözlenmiştir. Yüksek sıcaklık PEM yakıt hücresi testi sonucunda, Co-N/MWCNT içeren hücrenin maksimum güç ve akım yoğunluğu değerleri, 150C ve 160C'de ticari muadilinden daha iyi çıkmıştır. Ancak literatüre göre bu katalizörlerin yüksek sıcaklıkta bazı stabilite sorunları yaşamaları mümkündür. Bu yüzden 170C ve üzerinde performansı gözle görülür biçimde düşmüştür. Yapılan deneyler sonucunda, bu katalizörlerin, Pt/C katalizörlere kısmi olarak alternatif olabilecekleri görülmüştür. Alt çalışmada ise, karbon-nanotüp destek malzemesinin polybenzimidazole (PBI) polimeri ile modifikasyonu ve Pt-PBI/MWCNT katalizörün mikrodalga yöntemi ile başarılı bir şekilde sentezlendiği TGA, XPS, XRD ve TEM analizleri ile gösterilmiştir. Dönüşümlü voltametri (CV) testi ile katalizörün elektrokimyasal aktif yüzey alanı 43 m2·g-1 olarak hesaplanmış, ticari muadili Pt/C ve Pt/MWCNT katalizör ile kıyas edildiğinde benzer veya nispeten daha düşük bir değere sahip olduğu belirlenmiştir. Düşük olmasının sebebi ise nanotüpleri saran PBI polimerinin hidrofobik özelliğe sahip olması ve bu yüzden elektrolit sıvının aktif yüzeylere temasının nispeten daha düşük olması gösterilebilir. Fakat 1000. Döngü sonunda, Pt-PBI/MWCNT katalizörün neredeyse ilk aktif yüzey alanının %80'ini koruduğu görülmüştür ve diğer katalizörlerden daha uzun ömürlü olduğu da belirlenmiştir. YS-PEM yakıt hücresi testi sonucunda ise Pt-PBI/MWCNT'den hazırlanan hücrenin, güç ve akım yoğunluğu değerlerinin ticari Pt/C katalizör içeren referanstan, tüm sıcaklıklarda daha düşük olduğu görülmüştür. Çalışmalar sonunda performans veya dayanıklılık arasında bir denge gözetilmesi gerektiği sonucu çıkmıştır.

Özet (Çeviri)

Due to the extremely high cost of platinum group metals, the development of highly efficient, non-noble electrocatalysts, especially for the oxygen reduction reaction (ORR) is essential for the commercialization. In recent studies, state-of-the-art Metal-N-C (Metal = Fe or Co) catalysts are considered as promising alternatives to expensive Pt/C catalysts because of their excellent electrochemical and physical properties. They can somehow provide decent mass activity and electrochemical performance with considerably low material and synthesis cost. In this thesis, the main course is the development of a non-noble, high-performance Co-N/MWCNT electrocatalyst for high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFCs) application, and the second course is the development of polybenzimidazole (PBI) modified carbon-nanotubes as a support material for platinum-based electrocatalysts to increase catalytic durability at elevated temperatures. Upon completion of the studies, synthesis of the Co-N/MWCNT catalyst with a high-temperature pyrolysis method was successfully demonstrated by XPS, ToF-SIMS, XRD, Raman, and HR-TEM analysis. Results showed that the uniform dispersion of Co nanoparticles and the formation of active pyridinic Co-N4 sites were appropriately achieved. It is believed that the formation of stable Pyridinic-N sites could promote more electron pathways through the ORR, and increases the catalyst's stability. Rotating disc electrode (RDE) analysis demonstrated that the kinetics of the Co-N/MWCNT catalyst is sufficient enough to operate as a cathode for a typical PEM fuel cell operation. From the HT-PEMFC test results, at the 150C and 160C, the peak current/power density of the cobalt-based MEA was somehow higher than that of the commercial Pt/C. The only drawback is the stability issue at higher temperatures (170C or more) in an acidic medium. Results partially confirmed that the Co-N/MWCNT catalyst could be the promising alternative to replace noble Pt/C catalysts at the cathode side. In the sub-study, polybenzimidazole wrapped carbon-nanotubes and microwave-assisted reduction of Pt nanoparticles were successfully characterized by TGA, XPS, XRD, and TEM analysis. Modifying carbon-nanotubes through the polybenzimidazole film ensured fine (about 2 – 5 nm) and uniform dispersion of Pt nanoparticles. Cyclic voltammetry (CV) analysis concluded that the Pt-PBI/MWCNT catalyst had a 43 m2·g-1 of electrochemically active surface area (ECSA) to catalyze hydrogen oxidation, which is parallel to the literature but slightly lower than that of commercial Pt/C and Pt/MWCNT catalysts due to hydrophobic behavior of PBI molecules in an aqueous electrolyte. On the other hand, it has shown superior durability compared with the commercial Pt/C and Pt/MWCNT. After the 1000th CV, it has retained almost 80% of its initial ECSA, which makes the Pt-PBI/MWCNT is much more durable than the Pt/C and Pt/MWCNT. However, HT-PEMFC tests indicated that the peak current/power density values of the PBI-modified catalyst were lower than that of commercial-grade Pt/C, suggesting that some balance between durability and performance has to be taken into consideration.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    519034

    Supercritical fluid assisted preparation of Co promoted N-doped carbon aerogel electrocatalysts for oxygen reduction reaction and investigation of the nature of active sites

    Oksijen indirgeme reaksiyonu için N-katkılı Co teşvikli karbon aerojel elektrokatalizörlerinin süperkritik akışkan yardımı ile hazırlanması ve katalizördeki aktif yapıların doğasının incelenmesi

    SEÇİL ÜNSAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ERKEY

  2. Tez No

    43805

    20.yüzyıl endüstri tasarımında tarihsellik

    Başlık çevirisi yok

    NALAN ÖZSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Sanat Tarihiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. FİLİZ ÖZER

  3. Tez No

    749201

    The pursuit of an ideal coordination environment of the catalytic site for water splitting

    Su ayrımı için katalitik sahanın ideal bir koordinasyon ortamının arışı

    ALIYU AREMU AHMAD

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FERDİ KARADAŞ

  4. Tez No

    50466

    Development of noble metal reducible oxide catalysts for carbon monokside oxidation

    Karbon monoksit eksidasyonu için asil metal indirgenebilir oksit katalizörlerinin geliştirilmesi

    MURAT ERCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1996

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    PROF.DR. ZEYNEP İLSEN ÖNSAN

  5. Tez No

    371755

    An experimental study on design, development and performance evaluation of catalytic dry reforming of methane catalysts

    Metanın kuru reformlamasında kullanılacak etkili katalizörlerin tasarımı, geliştirilmesi ve performans değerlendirmesi hakkında deneysel çalışma

    HAZAL BAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ERHAN AKSOYLU

Geri Dön