Development and characterization of electrospun carbon nanofibers for proton exchange membrane fuel cells

Abstract

Bu çalışmada, proton değişimli membran yakıt hücreleri için elektro dokuma yöntemiyle poliakrilonitril kökenli Platin (Pt) ve Paladyum (Pd) nanoparçacık içeren karbon nanofiberler sentezlenmiştir. Nano metal parçacıkların küçük parçacık boyutu ve düzgün dağılımlarının sağlanması için, fonksiyonel poli akrilonitril, n-vinil payrolidon ile değişik mol oranlarında kopolimerleşmiştir. Sentezlenen polimer, çözücü ve metal tuzundan oluşan viskos çözelti elektro dokuma yöntemiyle, metal tuzu içeren nanofiberlere dönüştürülmüştür.. Metal nanoparçacık eldesi için polimerik nanofiberler, indirgen çözücüde bekletilmişlerdir. Karbon fiber eldesi için karbonizasyon iki etapta gerçekleşmiştir. İlk olarak, fiberler oksijen ortamında 200 0C de stabilize hale getirilmişlerdir. Bunu, azot atmosferinde 600 0C ile 1200 0C sıcaklıklarında ve değişik ısıtma hızlarında uygulanan yakma işlemi takip etmiştir.Karbon nanofiber çapları 80-600 nanometre arasında ölçülmüşken, metal parçacık boyutu 4 nanometreye kadar düşürülmüştür. Azami elektroaktif yüzey alanı Pt nanoparçacık için 34,5 m2/g Pd nanoparçacık için ise 22,37 olarak bulunmuştur. Sentezlenen polimerler, Fourier Transform Kızılötesi Spektroskopi (FTIR), Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopi (NMR), Anlık Termal Analiz (STA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) teknikleriyle karakterize edilmişlerdir. Fiber morfolojisi ile metal nanoparçacık boyutları Taramalı Electron Mikroskobu (SEM), X-Ray difraktometre (XRD) ve Geçirmeli Elektron Microskobu (TEM) ile incelenmiştir. Nanoparçacıkların elektrokimyasal analizleri dönüşümlü voltametre (CV) ile gerçekleştirilmiştir.

In this work, electrospinning was used to produce acrylonitrile based copolymer carbon nanofibers (CNFs) with Platinum (Pt) and Palladium (Pd) nanoparticles for use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). Acrylonitrile was copolymerized with n-vinyl pyrolidinone (VPYR) with different ratios as a template the size and the distribution of nanoparticles. The polymer, metal salt and solvent mixture were electrospunned for producing metal salt bearing polymeric nanofibers. Polymeric nanofibers were then dipped in a reducing solvent to produce metal nanoparticle on/in the polymer nanofibers. In order to get carbon fiber, pyrolysis were conducted which was performed by heat treatment process that includes stabilization of electrospun nanofibers in air environment at 200 0C followed by carbonization in nitrogen environment to temperatures between 600 0C and 1200 0C with different heating rates.The diameters of carbon nanofibers were found in the range of 80 to 600 nanometers while the particle sizes were reduced up to 4 nanometers. The electrocatalytic surface area was achieved as 34,5m2/g for Pt and 22,4m2/g for Pd nanoparticles. Synthesized polymers were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Simultaneus Thermal Analysis (STA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Fiber morphologies and nanoparticle sizes were examined via Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffractometer (XRD) and Tunneling Electron Microscopy (TEM). Electrochemical performance of metal nanoparticles was evaluated by means of cyclic voltammetry (CV).