Pt ve Sn bazlı ikili ve üçlü nano boyutta elektrokatalizörlerin PEM yakıt hücrelerinde oksijenin indirenmesi için incelenmesi

Abstract

Proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC) ve doğrudan etanollü yakıt hücreleri (DEFC) düşük güç uygulamalarında çeşitli yakıtların kullanılabilirliği açısından gelecek vaadeden elektrokimyasal cihazlardır. Yakıt hücrelerinin temiz enerji üretim sistemleri olmasının yanı sıra katalizörlerin maliyeti ve aktiviteleri de büyük ölçüde önem kazanmaktadır. Katot katalizörü olarak daha çok soy metaller (Pt, Pd, Ru vb.) geçiş metalleri ile (Cr, Fe, Co, Ni vb.) alaşım yapılır.Bu tezin amacı da yakıt hücrelerinde en çok kullanımına rastlanan Pt soy metalini farklı metallerle alaşım yaparak alternatif katalizörler üretirken, aktiviteyi artırıp aynı zamanda maliyetleri de düşürmektir. Hedeflenen, literatürde fazla rastlanmayan Sn bazlı katot katalizörlerinin geliştirilmesidir. Geniş uygulamasına rastlanan Poliol sentez metodu, mikrodalga ile desteklenerek katalizörlerin sentezlerinin yapılması 10 nm'nin altında parçacık boyutları elde edilmesine elverişli olduğundan tercih edilmektedir. Sentezlenen Sn bazlı katalizörlerin boyutları TEM ve XRD analizleri neticesinde ortalama olarak 4 nm civarında görülmüştür. Kafes parametrelerindeki kaymalar da alaşım olabilme ihtimalini artırmaktadır. TGA analizleri ile katalizörlerdeki metal miktarlarının tayini yapılmıştır.Oksijenin indirgenmesi reaksiyonunda PtSn/C katalizörünün Pt/C katalizöründen daha yüksek aktivite göstermesinin neticesinde üç metal içeren Pt bazlı katalizörlerin davranışları incelenmiştir. Ni veya Co eklenerek oluşturulan üçlü elektrokatalizörlerin daha da yüksek akım yoğunluklarına ulaştığı görülmüştür.Etanolle çalışan yakıt hücrelerinde crossover olarak adlandırılan, anottan membran yolu ile katota alkol geçme riski vardır. Bu olasılık göz önünde bulundurularak alkol içerisinde katalizörlerin davranışları incelenmiş ve Pt/C katalizörü hariç Sn bazlı katalizörlerin alkol ortamında etanolün oksidasyonu için yüksek aktivite gösterdiği görülmüştür, yani Sn bazlı katalizörler düşük toleranslıdır.Anahtar kelimeler: Oksijenin indirgenmesi reaksiyonu, Pt Sn bazlı katot elektrokatalizörleri, PEM yakıt hücresi

The proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) and the direct ethanol fuel cells (DEFC) are promising electrochemical equipments for low power applications in terms of the usage of various fuels. Besides producing clean energy via fuel cells the costs and activations of catalysts have a great importance. Mostly noble metals (Pt, Pd, Ru etc.) are alloyed with transition metals (Cr, Fe, Co, Ni etc.) as cathode catalysts.The aim of this thesis is to enhance the electrocatalytic activities and lowering costs as producing alternative catalysts by alloying Pt noble metal with different metals. The objective is to develop Sn based cathode catalysts which are not found in the literature. Poliol synthesis method has great applications. Microwave assisted poliol synthesis is suitable to obtain particle size smaller than 10 nm. The synthesized Sn based catalysts have averagely 4 nm particle size as a result of TEM and XRD analysis. The lattice parameter changes increase the possibility of alloy form. Total metal loadings of the catalysts were analysed with TGA.As a result of higher activity of PtSn/C catalysts than Pt/C in oxygen reduction reaction, the behaviour of ternary catalysts are investigated. Addition of a third metal as Ni or Co caused higher current densities.In ethanol fuel cells there is a risk of alcohol crossover from anode side to cathode side via membrane way. Behaviours of catalysts are investigated considering this possibility. Except Pt/C, Sn based catalysts showed higher activity for ethanol oxidation so Sn based catalysts have low alcohol tolerance.Keywords: Oxygen reduction reaction, Pt Sn based cathode electrocatalysts, PEM fuel cell