Platinum-free Electrocatalysts

QC 2023-02-06

Abstract

Platina är en av de mest använda katalysatorerna i gröna energikällor somexempelvis bränsleceller, elektrolysörer och grätzelsolcell. Stora ansträngningar har dock gjorts för att reducera mängden platina som används i dessa energikällor, på grund av dess sällsynthet och höga kostnad. Att utveckla platinafria katalysatorer som även är kostnadseffektiva och kraftfulla äridag mycket aktuellt. Gammastålningsinducerande syntes är känd för dessmilda reaktionsförhållnaden, är lätt att kontrollera samt så finns det utrymme för uppskalning av produktionskapaciteten. I denna avhandling designas och produceras följande typer av platinafria katalysatorer med hjälp av gammastålningsinducerande syntes: Monometalliska (Ni, Ag nanopartiklar), bimetalliska (Ag-Ni core-shell och heterostrukturer, Pd-Ni nanoram, Ni-Co legeringar), metalloxider (Manganocid, Ceriumdioxid) och hybrider (Pd-CeO₂), Ag-jonomer. Sedan analyseras nanokatalysatorernas strukturella, kemiska samt elektrokatalytiska egenskaper.

Först syntetiseras nanopartiklarna. Det upptäcktes att fristående nickel-nanopartiklar är små (ca 3 nm) och brukar samla ihop sig i större kluster (Artikel I). Baserat på resultaten som sågs för nickel-nanopartiklarna, skapas binära nanokatalysatorer Ni-Co, Ni-Ag och Ni-Pd. Det visade sig att Ni-Co legeringens elektrokatalytiska prestationsförmåga för syrereduktionsreaktion, syreutvecklingsreaktion samt väteutvecklingsreaktion kan justeras genom att förhållandet mellan Ni och Co ändras (Artikel IV). Genom att lägga till silver, som är en billigare ädelmetall till katalysatorerna, tillverkas bimetalliska Ni-Ag nanopartiklar med olika strukturer: Heterostrukturen (Ag-Ni) och core-shell (Ag@NiO). En studie som jämförde dessa två nanokatalysatorer möjliggjorde det för oss att urskilja ligand- och deformationseffekt påverkan på Ni-Ag katalysatorerna (Artikel II). Genom att blanda den högreaktiva men den dyra metallen palladium med den billigare övergångsmetallen, Nickel, skapas Ni-Pd nanokatalysatorer med formerna nanoramen (PdNi-NF) och nanokedjan (PdNi-NC). PdNi-NF nanokatalysatorer som deponeras på kommersiellt kol uppvisar större syrereduktionsreaktionsförmåga och hållbarhet på grund av dess nätliknande struktur och Pd-berikade ytlager (Artikel III). Eftersom polyvinylalkohol (PVA) ofta har används som tensid för att begränsa storleken på nanopartiklarna under en gammastålningsinducerande syntes, är det möjligt att överflödigt PVA på katalysatorn kan hämma dess aktivitet. Därför gjordes försök där en anjonbytarjonomer användes som tensid och den visade sig en effektivare storleksreglerare för syntesen av silvernanopartiklar. Mekanismen för reglering av silverpartikelstrolek studerades. De färdiga silvernanopartiklarna som var täckta med jonomer användes som modellkatalysatorer för att granska syrereduktionsreaktionens kinetik (Artikel VIII).

Utöver metallnanopartiklarna, syntetiserades och granskades även metalloxiderna manganoxid (MnO_x) samt ceria (CeO₂). Två typer av manganoxid med olika sammansättning och morfologi tillverkades genom syntesmetoderna reduktion och oxidation. Därefter jämförs prestationsförmågan för syrereduktionsreaktionen för de två olika typerna av manganoxid (Artikel V). I Artikel VI undersöks och föreslås mekanismen för kärnbildning och tillväxt av ceria. Baserat på resultatet i Artikel VI, togs Pd-CeO₂ nanokatalysatorer fram. Först förbehandlades CeO₂ mesokristallerna med askorbinsyra för att skapa mer Ce³⁺ defekter på ytan. Sedan deponeras palladium i olika storlekar (atom, kluster och nanopartikel), genom att förbehandlad ceria används som substrat. En studie som jämför olika Pd/CeO₂ katalysatorer visar på en relation mellan storlek, metall-stöd interaktioner (MSI) och aktivitetsnivån för syrereduktionsreaktion (Artikel VII).

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-323553