سنتز کاتالیست های دوفلزی قلع-کبالت و بررسی مقاومت آن ها در برابر آلودگی کربن مونوکسید، به منظور استفاده در لایه آندی پیل سوختی PEM

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده فناوری های شیمیایی، سازمان پژوهش‌ های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

2 پژوهشکده فناوری های شیمیایی، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران، تهران،‌ ایران

3 پژوهشکده فناوری های شیمیایی، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

چکیده

مشکل اصلی در تجاری­ سازی پیل­های سوختی غشای تبادل پروتون (PEM)، حساسیت و غیر فعال شدن کاتالیست آندی در برابر آلودگی­ های سوخت هیدروژن به ویژه کربن مونوکسید (CO) می ­باشد. درنتیجه طراحی و ساخت آندهای مقاوم به آلودگی کربن مونوکسید،‌ از اهمیت بالایی برخوردار است. طی سال­ های اخیر استفاده از لایه کاتالیست آندی چند لایه بررسی شده است به طوری که آلودگی کربن مونوکسید موجود در سوخت در لایه بیرونی حذف شده و هیدروژن خالص در لایه درونی با پلاتین واکنش دهد. در پژوهش ­های پیشین از فلز روتنیم به عنوان لایه حذف کننده CO استفاده شده است. در این پژوهش، کاتالیست دو فلزی، از دو فلز غیر نجیب قلع و کبالت بر روی پایه کربن، با نسبت­ های وزنی گوناگون به منظور استفاده در لایه بیرونی آند، سنتز شد و نتیجه­ های آنالیزهای XRDو SEM بارگذاری نانوذره­ های فلزی روی کربن را تأیید کرد. قابلیت این کاتالیست­ ها برایاکسایش کربن مونوکسید به روش نیم سل سوختی بررسی شد و آزمایش ­ها ثابت کرد فعالیت ترکیب اکسیدی این فلزها بسیار بیش­ تر از حالت فلز خالص است. پس از اکسید کردن نانوذره ­ها در ولتاژ 9/0 ولت، کاتالیست­ های ساخته شده، قابلیت بالایی برای اکسایش کربن مونوکسید و هیدروژن در شرایط عملیاتی پیل سوختیPEM نشان داده و کربن مونوکسید را در پتانسیل­ های پایین­تری نسبت به کاتالیست تجاری Pt/C اکسید کردند. همچنین داده­ های به دست آمده نشان داد که کاتالیست دارای قلع 50% و کبالت 50% روی پایه کربن، کارایی بهتری برای اکسایش کربن مونوکسید و هیدروژن در شرایط کاری پیل داشته و کاندیدای مناسبی برای استفاده در لایه بیرونی کاتالیست آندی چند لایه می ­باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] کوشکی، عماد؛ روشن ضمیر، سوسن؛ بهینه­سازی لایه کاتالیست کاتدی در پیل­های سوختی غشا تبادل پروتون،  نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)34: 21 تا 30 (1394)

[2] وافری، بهزاد؛ کرمی، حمیدرضا؛ کریمی غلامرضا؛ مدل­سازی فرایند ریفرمیگ گاز طبیعی با بخار آب در راکتور غشایی پالادیم-نقره برای تولید هیدروژن خالص، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)30: 25 تا 37 (1390)

[3] Mehta V., Cooper J.S., Review and Analysis of PEM Fuel Cell Design and Manufacturing, Journal of Power Sources, 114: 32–53 (2003).

[4] Mousavi Ehteshamia S.M., Jia Q., Halder A., Chan S.H., Mukerjee S., The Role of Electronic Properties of Pt and Pt Alloys for Enhanced Reformate Electro-Oxidation in Polymer Electrolyte membrane Fuel Cells, Electrochimica Acta, 107: 155-163 (2013).

[5] Litster S., McLean G., PEM Fuel Cell Electrodes, Journal of Power Sources, 130: 61–76 (2004).

[6] Hu J.E., Liu Z, Eichhorn B.W., Jackson G.S., CO Tolerance of Nano-Architectured PteMo Anode Electrocatalysts for PEM Fuel Cells, International Journal of Hydrogen Energy, 37: 11268-11275 (2012).

[7] Mousavi Ehteshamia S.M., Chan S.H., A review of Electrocatalysts with Enhanced CO Tolerance and Stability for Polymer Electrolyte Membarane Fuel Cells, Electrochimica Acta, 93: 334-345 (2013).

[8] Wan C.H., Zhuang Q.H., Novel Layer Wise Anode Structure with Improved CO-Tolerance Capability for PEM Fuel Cell, Electrochimica Acta, 52: 4111–4123 (2007).

[9] Dai Y., Liu Y., Chen S., Pt–W Bimetallic Alloys as CO-Tolerant PEMFC Anode Catalysts, Electrochimica Acta, 89: 744-748 (2013).

[10] Haug A.T., White R.E., Weidner J.W., Huang W., Shi S., Stoner T., Rana N., Increasing Proton Exchange Membrane Fuel Cell Catalyst Effectiveness Through Sputter Deposition, Journal of The Electrochemical Society, 149: 30 A280-A287 (2002).

[11] Yu H., Hou Z., Yi B., Lin Z., Composite Anode for CO Tolerance Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Journal of  Power Sources, 105: 52–57 (2002).

[12] Long N.V., Yang Y., Thi C.M., Minh N.V., Cao Y.Q., Nogami M., The Development of Mixture, Alloy, and Core-Shell Nanocatalysts with Nanomaterial Supports for Energy Conversion in Low-Temperature Fuel Cells, Nano Energy, 2: 636-676 (2013).

[13] Liu Z., Jackson G.S., Eichhorn B.W., PtSn Intermetallic, Core–Shell, and Alloy Nanoparticles as CO Tolerant Electrocatalysts for H2 Oxidation, Angewandte Chemie, 49(18): 3173-3176 (2010).

        DOI: 10.1002/anie.200907019

[14] Kim H.T., Yoo J.S., Joh H.I., Kim H., Moon S.H., Properties of Pt-Based Electrocatalysts Containing Selectively Deposited Sn as the Anode for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, International Journal of Hydrogen Energy, 36: 1606-1612 (2011).

[15] Herranz T., Garcıa S., Martınez-Huerta M.V., Pena M.A., Fierro J.L.G., Somodi F., Borbath I., Majrik K., Tompos A., Rojas S., Electrooxidation of CO and Methanol on Well-Characterized Carbon Supported PtxSn Electrodes. Effect of Crystal Structure, International Journal of Hydrogen Energy, 37: 7109-7118 (2012).

[16] Liu Y.H., Wu F., Wu C., Effects of pH Value on Composition Structure and Catalytic Activity of Pt-SnOx/C Prepared by Ethylene Glycol Method, Fuel Cells, 12(3): 415-419 (2012).

        DOI: 10.1002/fuce.201100092

[17] Zignania S.C., Antolini E., Gonzalez E.R., Evaluation of the Stability and Durability of Pt and Pt–Co/C Catalysts for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, Journal of Power Sources, 182: 83-90 (2008).

[18] Obradovic M.D., Tripkovic A.V., Gojkovic S.L., Oxidation of Carbon Monoxide and Formic Acid on Bulk and Nanosized Pt–Co Alloys, J. Solid State Electrochem., 16: 587-595 (2012).

[19] Bhlapibul S., Pruksathorn K., Piumsomboon P., The Effect of the Stabilizer on the Properties of a Synthetic Ni Core@Pt Shell Catalyst for PEM Fuel Cells, Renewable Energy, 41: 262-266 (2012).

[20] Mohanraju K., Cindrella L., One-Pot Surfactant-Free Synthesis of High Surface Area Ternary Alloys, PtMCo/C (M = Cr, Mn, Fe, Ni, Cu) with Enhanced Electrocatalytic Activity and Durability for PEM Fuel Cell Application, International Journal of Hydrogen Energy, 41: 9320-9331 (2016).

[21] Kheradmandinia S., Khandan N., Eikani M.H., Synthesis and Evaluation of CO Electro-Oxidation Activity of Carbon Supported SnO2, CoO and Ni Nano Catalysts for a PEM Fuel Cell Anode, International Journal of Hydrogen Energy, 41: 19070-19080 (2016).

[22] Ochal P., la Fuente J.L.G., Tsypkin M., CO Stripping as an Electrochemical Tool for Characterization of Ru@Pt Core-Shell Catalysts, Journal of Electroanalytical Chemistry, 655: 140–146 (2011).

[23] Zeng J., Lee J.Y., Zhou W., More active Pt/carbon DMFC Catalyst by Simple Reversal of the Mixing Sequence in Preparation, Journal of Power Sources, 159: 509–513 (2006).

[24] Salgado J.R.C., Antolini E., Gonzalez E.R., Preparation of Pt-Co/C Electrocatalysts by Reduction with Borohydride in Acid and Alkaline Media, Journal of Power Sources, 138: 56–60 (2004).

[25] Prabhuram J., Zhao T.S., Tang Z.K., Chen R., Liang Z.X., Multiwalled Carbon Nanotube Supported PtRu for the Anode of Direct Methanol Fuel Cells, J. Phys. Chem. B, 110: 5245-5252 (2006).

[26] Rui L., Chunhui C., Haiyan Z., Huibo H., Jianxin M., Electro-Catalytic Activity of Enhanced CO Tolerant Cerium-Promoted Pt/C Catalyst for PEM Fuel Cell Anode, International Journal of Hydrogen Energy, 37: 4648-4656 (2012).