Investigation of electrocatalytic performance of noble metal-free anode electrocatalysts for alkaline direct ethanol fuel cells

Abstract

Enerjiye olan talebin artması ve fosil yakıtların tükenmesi nedeniyle araştırmacılar yeni enerji üretim teknolojilerini keşfetmeye yönelmiştir. Alkol elektrooksidasyon prosesleri bu özel durumdan dolayı ilgi görmektedir. Alkoller kategorisinde etanol ekonomik açıdan uygun ve toksik olmayan bir yakıt olarak öne çıkıyor. Oldukça yüksek teorik enerji yoğunluğu nedeniyle, fosil yakıtlar için çok umut verici bir yenilenebilir alternatif olarak kabul edilmektedir. Etanolden etkili bir şekilde enerji üretmek için etanol elektrooksidasyon reaksiyonunu (EOR) tamamlamak önemlidir. Bununla birlikte, EOR'un yavaş kinetiği bu çevre dostu yakıtın ticari kullanımını engellemektedir. Bu araştırmanın amacı, Ni ve NiX (X= Cr2O3, Cu, Fe) nanopartiküllerini çeşitli ağırlık oranlarında CeO2 nanoçubuklarıyla birleştirerek EOR için yeni verimli anot elektrokatalizörleri sentezlemektir. Sentezlenen elektrokatalizörlerin morfolojik özellikleri XRD, SEM, EDAX, TEM ve XPS analizleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Katalizörler, Döngüsel Voltametri (CV), Doğrusal Tarama Voltammetrisi (LSV) ve Kronoamperometri (CA) teknikleri kullanılarak elektrokimyasal karakterizasyonlara tabi tutulmuştur. Elde edilen geçiş metali bazlı elektrokatalizörler yüksek elektrokimyasal aktivite göstermiştir. CV ölçümleri NiFe-CeO2NRs-2 elektrokatalizörünün sentezlenen diğer katalizörlerle karşılaştırıldığında maksimum akım yoğunluğuna sahip olduğunu gösterdi. Ayrıca CeO2 nanoçubuklarının miktarının nikel nanopartiküllerinin elektrokatalitik verimliliği üzerinde etkisi olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, ilave bir geçiş metali veya metal oksidin dahil edilmesi, sinerjistik etkinin arttırılması yoluyla katalitik aktiviteyi arttırmıştır.Researchers have been driven to explore novel energy generation technologies due to the growing demand for energy and the depletion of fossil fuels. Alcohol electrooxidation processes are receiving interest in this particular situation. Within the category of alcohols, ethanol stands out as an economically viable and non-toxic fuel. It is regarded as a very promising renewable substitute for fossil fuels due to its notably high theoretical energy density. Ethanol is a highly promising alternative fuel that is non-toxic and cost-effective. To effectively generate energy from ethanol, it is essential to complete the ethanol electrooxidation reaction (EOR). Nevertheless, the sluggish kinetics of the EOR prevent the commercial utilization of this environmentally-friendly fuel. The objective of this research was to synthesize novel efficient anode electrocatalysts for EOR by combining Ni and NiX (X= Cr2O3, Cu, Fe) nanoparticles with CeO2 nanorods at various weight ratios. The synthesized electrocatalysts were morphologically characterized using XRD, SEM, EDAX, TEM, and XPS analysis. The catalysts were subjected to electrochemical characterizations using the techniques of Cyclic Voltammetry (CV), Linear Sweep Voltammetry (LSV), and Chronoamperometry (CA). The resulting catalysts were transition metal-based and shown high electrochemical activity. The CV measurements showed that the NiFe-CeO2NRs-2 electrocatalyst had the maximum current density compared to the other catalysts that were produced. Moreover, the quantity of CeO2 nanorods has an impact on the electrocatalytic efficiency of nickel nanoparticles. Furthermore, the inclusion of an additional transition metal or metal oxide has enhanced the catalytic activity through the augmentation of the synergistic effect.