Trójskładnikowy katalizator Pt/Re/SnO2/C do elektrochemicznego utleniania etanolu: synteza i charakteryzacja fizykochemiczna

Abstract

Jednym z najbardziej wymagających zadań, przed którymi stoi współczesna fizyka i chemia jest poszukiwanie i tworzenie nowych, wydajnych, przyjaznych dla środowiska technologii wytwarzania energii elektrycznej. Interesującą i bardzo popularną alternatywą źródeł energii stają się ogniwa paliwowe zasilane etanolem. Niestety, stosowane w nich katalizatory anodowe nie są wystarczająco wydajne i zamiast pożądanego produktu utleniania etanolu, jakim jest CO2, wytwarzają głównie produkty uboczne. W niniejszej rozprawie przedstawiono nowy katalizator do utleniania etanolu Pt/Re/SnO2/C. W celu jego otrzymania przeprowadzono szereg badań, w wyniku których zoptymalizowano procedury otrzymywania budujących go składników - nanocząstek Pt, Re oraz SnO2. Następnie wykorzystując oddziaływania międzycząsteczkowe i pomiary potencjału elektrokinetycznego utworzono podwójne (Pt/SnO2, Re/SnO2) oraz potrójne kombinacje nanocząstek(Pt/Re/SnO2). Nowością w przedłożonej pracy było zaproponowanie mechanizmu łączenia nanocząstek wchodzących w skład potencjalnego katalizatora w oparciu o przeciwne wartości potencjałów zeta. Oddziaływania elektrostatyczne między nanocząstkami doprowadziły do pomyślnego otrzymania kombinacji Pt/SnO2, Re/SnO2 oraz Pt/Re/SnO2, co pozwoliło na zapewnienie fizycznego kontaktu pomiędzy poszczególnymi składnikami, istotnego w przebiegu reakcji utleniania etanolu (EOR). W kolejnym etapie zdefiniowano właściwości fizykochemiczne i dyspersyjno-morfologiczne wytworzonych nanocząstek oraz ich dwu i trójskładnikowych kombinacji, co umożliwiło wykazanie fizycznego charakteru oddziaływań pomiędzy nimi. Analiza właściwości morfologicznych i strukturalnych została oparta na połączeniu transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HR-STEM, HAADF STEM, SAED) z dyfrakcją rentgenowską (XRD). Dodatkowo w celu określenia składu pierwiastkowego i potwierdzenia połączeń pomiędzy wybranymi kombinacjami nanocząstek wykorzystana została spektroskopia rozpraszania energii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Analiza została również uzupełniona o pomiary dynamicznego rozpraszania światła (DLS), spektroskopię fotoelektronów wzbudzonych promieniowaniem X (XPS) oraz fourierowską spektroskopię oscylacyjną w podczerwieni (FTIR). Do przygotowania katalizatorów na nośniku węglowym z jednakową zawartością platyny posłużyła spektroskopia mas ICP-MS. Ostatecznie wszystkie otrzymane nanokatalizatory zostały przetestowane pod kątem aplikacyjności w reakcji utleniania etanolu przy wykorzystaniu technik cyklicznej woltamperometrii, wykazując kilkukrotnie większą wydajność w porównaniu z komercyjnie dostępnym katalizatorem platynowym.

One of the most challenging tasks chemistry and physics is facing nowadays is creating new, efficient and environmentally-friendly technologies for transforming chemical energy into electricity. Such an interesting and very popular alternative as an energy source are fuel cells fueled by ethanol. Unfortunately, the anode catalysts used in Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC) are not sufficiently efficient and instead of the desired ethanol oxidation product, which is CO2, they mainly generate by-products. This dissertation presents a new Pt/Re/SnO2/C catalyst for oxidation of ethanol. In order to obtain the desired catalyst, a lot of experimental tests were carried out. As a result, procedures for obtaining individual components (Pt, Re and SnO2 nanoparticles) building catalysts have been optimized. Then using intermolecular interactions and electrokinetic potential measurements, binary (Pt/SnO2, Re/SnO2) and ternary (Pt/Re/SnO2) combinations of the nanoparticles were created. The novelty of this work was to propose an assembly procedure of the nanoparticles, based on opposite values of their zeta potentials. The electrostatic interactions between the nanoparticles led to a successful creation of Pt/SnO2, Re/SnO2 and Pt/Re/SnO2 combinations. These interactions allowed to create a physical contact places between the individual components, so important in increasing the performance of the ethanol oxidation reaction (EOR). At the next stage, physicochemical and dispersive-morphological properties of the produced nanoparticles and their binary and ternary combinations were defined, which allowed to determine the physical nature of interactions between them. The analysis of morphological and structural properties was based on the combination of transmission electron microscopy (HR-STEM, HAADF STEM, SAED) with X-ray diffraction (XRD). Moreover, to determine the elemental composition and confirm the connections between the selected combinations of the nanoparticles, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used. The analysis was also extended by measurements of dynamic light scattering (DLS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). For the preparation of catalysts on the carbon support with the same platinum loading, inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was used. Finally, all of the obtained nanocatalysts were tested towards ethanol oxidation reaction using cyclic voltammetry techniques, showing several times higher efficiency compared to the commercially available platinum catalyst.