Magnetron sputter yöntemi ile proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere elektrokatalizörlerin hazırlanması

Abstract

Bu tez kapsamında magnetron sputter tekniği kullanılarak ultra vakum şartlarında gaz difüzyon tabakası üzerine biriktirilerek hidrojenle çalışan proton değişim membranlı yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere elektro katalizörler hazırlandı ve karaterize edildi. İlk olarak 10W ile 100W arasında değişen güçlerde gaz difüzyon tabakası üzerine 22 µg/cm2 platin katalizör kaplandı. Hazırlanan katalizörlerin elektrokimyasal yüzey alanı ve oksijen indirgeme parametreleri incelendi ve 25 W'ta 27 m2/gr Pt elektrokimyasal yüzey alanı elde edilerek 25 W'ın optimum değer olduğuna karar verildi. Takip eden çalışmalarda platin kaplama gücü olarak 25 W kullanıldı. İkinci olarak, farklı atomik oranlardaki PtCo ve 33Å Ti ara katman destekli PtCo filmleri yine ticari karbon kağıdı üzerine, oda sıcaklığında doğru akım (DA) magnetron saçtırma (MS) yöntemiyle biriktirildi, titanyum ve kobaltın performans ve aktiviteleri üzerine etkisi incelendi. Bu filmlerin oksijen indirgenme reaksiyonuna karşı aktiviteleri döngüsel voltametri, lineer tarama voltametresi ve döner disk elektrot yöntemleri ile incelendi. İncelemeler sonucunda artan Co oranı ile elektrokimyasal aktif yüzey alanının arttığını ve en yüksek aktif alan PtCo(1:3) ve 33 Å Ti destekli PtCo(1:3) bulundu. Son olarak gerçekleştirilen tek hücre testlerinde Ti destekli PtCo(1:3) katalizörün PtCo(1:3) ve saf platin katalizörlerden çok daha yüksek performans gösterdiği gözlendi.In this thesis, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) catalysts were growth on gas diffusion layer (GDL) using magnetron sputtering technique under Ultra High Vacuum (UHV) conditions. Firstly, a series of ultra low loaded (22µg/cm2) platinum catalysts were sputtered on a commercial gas diffusion layer with a sputtering power ranging from 10 W- 100 W. In this optimization step active surface areas and oxygen reduction parameters were investigated. The thin film prepared using 25 W sputtering power having approximately 27 m2/gr Pt electroactive surface area was selected as the optimum one. In the following studies, we always used 25 W as platinum sputtering power. Secondly, a series of thin PtCo, 33Å Ti sublayer supported PtCo films with different metal ratios were deposited on a commercial GDL subsrate to investigate the titanium (Ti) and cobalt (Co) effect on catalytic avtivity and performance. Their electrocatalytic properties toward the oxygen reduction were investigated by means of cyclic voltametry (CV) and linear sweep voltametry (LSV) on rotating disc electrode (RDE). It was found that the increase of Co content leaded to rise in the electrochemically active surface area (EASA) reaching a maximum for PtCo (1:3) and 33 Å Ti supported PtCo (1:3). Finally, single cell experiments were performed and clearly showed that Ti supported PtCo (1:3) catalyst was much better than both PtCo(1:3) and pure platinum catalyst.