PtCu nanoparticles supported with graphene derived materials: Synthesis,characterization and their use as electrocatalysts in PEM fuel cells

Abstract

PEM yakıt pilleri (PEMFC), kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen ve bunu yaparken yan ürün olarak yalnızca su üreten çevre dostu bir enerji dönüşüm sistemidir. PEMFC'nin ticari olarak kullanılabilmesi için üretim maliyetinin düşürülmesi ve veriminin artırılması gerekmektedir. Bu aşamada, PEMFC giderlerinin ~% 70'inden sorumlu membran elektrot montaj ünitesindeki (MEA) Pt katalizör miktarını azaltmak hayati önem taşımaktadır. Bu tezde, platinden daha ucuz olan ikincil bir bakır metalinin sinerjik katkısıyla karbon siyahı-grafen nanoplatelet kompozit destekli beş farklı PtCu nanopartikülleri (NP'ler) üretilmiştir. PtCu NP'leri farklı sentez koşulları altında sentezlemek için organometallik ve termal dekompozisyon olmak üzere iki sentez yöntemi kullanılmıştır. Elde edilen malzemeler TGA, FT-IR, Raman, XRD, XPS, TEM, SEM-EDS ile karakterize edildi. Elektrokimyasal yüzey alanları (ECSA), döngüsel voltametri (CV) ile hesaplandı. Destekli PtCu NP'ler için en etkili sentez yöntemi; varigon gazı altında 300 C, 1 saat süren termal dekompozisyon olduğu raporlandı. İkinci bölümde, elektrokimyasal aktivite üzerinde karbon destek oranlarının etkisini araştırmak için optimize edilmiş termal dekompozisyon yöntemi ile PtCu/CB:GNP (50:50), PtCu/CB:GNP (30:70) ve PtCu/CB:GNP (70:30) NP'ler sentezlenmiştir. ECSA değerlerine göre, üç katalizörün de elektrokimyasal olarak, ticari karbon Vulcan XC-72 destekli % 20 Pt'ye kıyasla daha üstün olduğu bildirildi. Bizler, GNP'ye sahip hibrit desteğin devreye girmesiyle karbon korozyonu ve dayanıklılık sorunlarının en aza indirildiğine inanıyoruz. Ayrıca, sentezlenen bu hibrit destekli NP'ler ile katalizör aktivitesinden ödün vermeden değerli Pt metalinin katalizör içindeki oranı azaltılmıştır. İleriye yönelik çalışmalarımız, doğrudan PEMFC'ler için bu tür katalizörlerin araştırılmasına yönelik olacaktır.

PEM fuel cell (PEMFC) is an environmentally friendly energy conversion system that directly transforms chemical energy into electrical energy with water as a by-product. In order to use PEMFC commercially, it is necessary to reduce the production cost and increase its efficiency. At this stage, it is vital to decrease the amount of Pt catalysts in membrane electrode assembly unit (MEA) responsible for ~70% of PEMFC expenses. In this thesis, five different carbon black-graphene nanoplatelets composite supported PtCu nanoparticles (NPs) were produced with synergistic contribution of a secondary copper metal, which is cheaper than platinum. Two methods, organometallic synthesis and thermal decomposition, were used to synthesize PtCu NPs under various conditions. The resulting materials were characterized by TGA, FT-IR, Raman, XRD, XPS, TEM, SEM-EDS. Electrochemical surface area (ECSA) were calculated by cyclic voltammetry (CV). Most effective synthesis method for supported PtCu NPs is the thermal decomposition under dynamic varigon gas at 300 C for 1 hour. In the second part, PtCu/CB:GNP (50:50), PtCu/CB:GNP (30:70) and PtCu/CB:GNP (70:30) were prepared by optimized thermal decomposition method to study the effect of carbon support ratios on electrochemical activity. According to ECSA values, all three catalysts were reported to be electrochemically superior compared to commercial %20 wt Pt on carbon Vulcan XC-72. We believe that the carbon corrosion and durability issues are minimized with the introduction of a hybrid support having GNP. Moreover, decrease of precious metal Pt without compromising from catalyst activity is achieved. Our studies will be towards direct investigation of such catalysts in PEMFCs.