PEM yakıt hücresi katodunda kullanılmak üzere platin bazlı üçlü katalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi
Synthesis, characterization and investigation of electrocatalytical properties of platinum based ternary catalysts in order to be used at the cathode of a PEM fuel cell
Yazar: SİLVER GÜNEŞ
Danışman: PROF. DR. F. ÇİĞDEM GÜLDÜR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Platin = Platinum ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Yakıt hücreleri kimyasal enerjinin yüksek verimde kullanılabilir elektrik enerjisine dönüşümünü sağlayan cihazlardır. Geliştirilmiş birçok farklı tipteki yakıt hücresi içinden PEM (polimer elektrolit membran) yakıt hücresi, düşük sıcaklıklarda çalışması (genellikle 80-90 C°), korozyona dayanıklı oluşu ve az hacim kaplaması gibi avantajları sayesinde ulaşım araçlarında enerji kaynağı olarak kullanılmak için en uygun adaydır. PEM yakıt hücresinin ticari yaygınlık kazanmasının önünde duran en büyük engellerden biri oldukça pahalı platin bazlı elektrokatalizörlerin kullanımını gerektirmeleridir. PEM yakıt hücresinin ürettiği potansiyel, oksijen indirgenme reaksiyonunun gerçekleştiği elektrottaki yavaş reaksiyon kinetiği tarafından sınırlanmaktadır. Bu yüzden, PEM yakıt hücreleri üzerine yapılan çalışmalar katotta yürüyen oksijen indirgenme reaksiyonunun (OİR) elektrokatalizinde kullanılacak katalizörün geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmaktadır.Bu çalışmada, PEM yakıt hücresi katodundaki OİR reaksiyonunun elektrokatalizinde kullanılabilecek ucuz ve etkin katalizörlerin sentezlenmesi amaçlanmıştır. Katalizörler, platinin Ag, Cu ve Fe geçiş metalleri ile oluşturduğu üçlü katalizörlerin karbon destek üzerinde yaş emdirme indirgeme yöntemi ile biriktirilmesi ile hazırlanmış ve N2 adsorpsiyonu, XRD, SEM, EDS ve döngülü voltametri yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda katalizörlerin makrogözenekli yapıda olduğu ve yüzey alanlarının 152 ile 209 m2/g arasında değiştiği görülmüştür. Platin partikül boyutu 3,66 ile 16,35 nm arasında değişmektedir ve platin oranı fazla olan katalizörlerin daha küçük partikül boyutuna sahip olduğu görülmüştür. Döngülü voltametri ölçümlerinde kullanılacak elektrodun hazırlanışında bağlayıcı maddenin türünün önemli olduğu görülmüştür. PTFE bağlı olarak hazırlanan katalizör filmlerinin elektroaktif yüzey alanları düşük iken nafion ile hazırlanan katalizörlerin elektroaktif yüzey alanları oldukça yüksektir. PtAgFe/C-611 katalizörünün 557,25 cm2/mg elektroaktif yüzey alanı ile en yüksek elektroaktif yüzey alanına sahip katalizördür. En yüksek aktiviteyi yine PtAgFe/C katalizörlerinin verdiği ve kütle aktivitesinin platin oranı ile ters orantılı olduğu bulunmuştur. Katalizörlerin oksijen indirgenme reaksiyonundaki seçiciliği dönen disk-halka elektrot voltametrisi tekniği ile incelenmiştir. Peroksit oluşum yüzdesinin platin oranı az olan katalizörlerde daha fazla olduğu görülmüştür. Sonuç olarak bu çalışmada sentezlenen katalizörlerden PtAgFe/C-611 ve PtCuFe/C-611 katalizörlerinin PEM yakıt hücresi katodunda alternatif katalizör olarak kullanılabileceğine karar verilmiştir.

Abstract:
Fuel cells are devices that enables the conversion of chemical energy to useful electricity by high efficiency. Among various types of fuel cells developed, PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cell is the most promising candidate for uses as a portable power source in transportation due to its advantages such as low working temperature (generally between 80-90 C°), resistance to corrosion and low volume. One of the major problems confronting the commercialization of PEM fuel cells is that they need the use of very expensive platinum based electrocatalysts. The voltage produced by PEM fuel cell is limited by the low kinetic rate of the oxygen reduction reaction (ORR) occuring at the cathode. Thus, studies on PEM fuel cells are focused on developing a catalyst that will be used in the electrocatalysis of the oxygen reduction reaction.In this study, it was aimed to develop cheap and active catalysts that can be used in the electrocatalysis of the ORR reaction at the cathode of the PEM fuel cell. The catalysts were prepared by depositing the ternary catalysts of platinum with the transition metals; Ag, Cu and Fe on carbon support by wet impregnation reduction method and were characterized by various methods including N2 physisorption, XRD, SEM, EDX and cyclic voltammetry (CV). As the result of the characterization studies it was observed that the catalysts have macroporous structure and surface areas varying between 152 and 209 m2/g. The mean particle size of platinum is varying between 3.66 and 16.35 nm and it was seen that catalysts with higher platinum loadings have smaller particle sizes. In the cyclic voltammetry measurements it was seen that the choice of the binding agent used in the preparation of the electrode is very important. While the electroactive surface areas of the PTFE-binded catalyst films is low, catalysts prepared with nafion have quite high electroactive surface area. PtAgFe/C-611 has the largest electroactive surface area with 557,25 cm2/mg. It was seen that that PtAgFe/C catalysts give the highest activity and the mass activities are inversely proportional to the platinum mass loading. Selectivity of the catalysts towards the oxygen reduction reaction was investigated by rotating ring-disk voltammetry technique. It was seen that the peroxide formation percentage is higher at the catalysts having less platinum content. As a result, it was concluded that within the catalysts synthesized in this study PtAgFe/C-611 and PtCuFe/C-611 can be used as alternative catalyst at the cathode of the PEM fuel cell.