Badanie utleniania kwasu mrówkowego na stopach trójskładnikowych Pt-Rh-Pd

Transkrypt

1 Badanie utleniania kwasu mrówkowego na stopach trójskładnikowych Pt-Rh-Pd Kamil Wróbel Pracownia Elektrochemicznych Źródeł Energii Kierownik pracy: prof. dr hab. A. Czerwiński Opiekun pracy: dr M. Chotkowski 1

2 Plan prezentacji Ogniwa paliwowe Utlenianie kwasu mrówkowego Stop Pt-Rh-Pd jako materiał anodowy Cel pracy Metody i techniki badawcze Oczekiwane rezultaty pracy 2

3 Ogniwa paliwowe (1) DFAFC (Direct Formic Acid Fuel Cell) Reakcje zachodzące w ogniwie: Anoda: HCOOH CO 2 + 2H + + 2e Katoda: O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O HCOOH + ½O 2 CO 2 + H 2 O Źródło: 3

4 Główne zalety DFAFC: - wysoka teoretyczna siła elektromotoryczna ogniwa, - kwas mrówkowy jest silnym elektrolitem, - ograniczony transport paliwa przez membranę nafionową, - sprawność teoretyczna procesu: η teor = 1,05 Ogniwa paliwowe (2) Źródło: A. Czrewinski, Akumulatory baterie ogniwa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, str. 153 Źródło: 4

5 Ogniwa paliwowe (3) Koncepcje zastosowania ogniw paliwowych: - Zastąpienie baterii w urządzeniach przenośne niewielkich mocy. - Wytwarzanie energii elektrycznej na potrzeby średnich użytkowników (0,2 50 MW). - Połączenie ogniwa paliwowego w układzie hybrydowym z akumulatorem niklowo-wodorkowym jak źródło energii w pojazdach elektrycznych. Źródło: 5

6 Utlenianie kwasu mrówkowego (1) Na podłożu Pt: Mechanizm procesu: (1) HCOOH + Pt 0 CO 2 + 2H + + 2e (2) HCOOH + Pt 0 Pt-CO + H 2 O Pt 0 + H 2 O Pt-OH + H + + e Pt-CO + Pt-OH 2Pt 0 + CO 2 + H + + e Krzywa CV utleniania kwasu mrówkowego na Pt; 0,1 M HCOOH w 0,5 M HClO 4 Źródło: L. Palaikis, A. Wieckowski, Catalysis Latters, 1989, Volume 3,

7 Stop Pt-Rh-Pd jak materiał anodowy (1) Ograniczenie problemu zatruwania powietrzni katalizatora Obniżenie potencjału utleniania kwasu mrówkowego przez zastosowanie dodatku Rh. Mechanizm bifunkcjonalny Pt-CO + Rh-OH Pt + Rh + CO 2 + H + + e Źródło: 7

8 Stop Pt-Rh-Pd jako materiał anodowy (2) Redukcja kosztów materiałów anodowych - Dodatek palladu jako mniej kosztownego metalu. - Badane stopy dwuskładnikowe: Pt-Ru 1, Pt-Pd 2, Pd-Ir 3 Cenny 1 g metali szlachetnych (w USD) 1) J. S. Kim, J. K. Yu, Oh and Y.W. Rhee, Korean J. Chem. Eng., 22, 661 (2005). 2) K.H. Kim, J.K. Yu,, Korean J. Chem. Eng., 24,518 (2007). 3) X. Wang, Y. Tang,, J. Power Sources, 175, 784 (2008). Źródło: 8

9 Cel pracy Zbadanie procesu utleniania kwasu mrówkowego na stopnie trójskładnikowym Pt-Rh-Pd w kontekście zastosowania tego układu jako materiału anodowego w ogniwach paliwowych bezpośrednio zasilanych kwasem mrówkowym. 9

10 Metody i techniki badawcze (1) Otrzymywanie elektrody Pt-Rh-Pd o ograniczonej objętości LVE (Limited Volume Electrodes) Potencjostatyczne osadzanie stopu z kąpieli: 0.01 M PdCl2, 0.16 M RhCl3, 0.03 M H2PtCl6 w 0.09 M HCl Źródło: M. Lukaszewski, A. Czerwinski, Thin Solid Films, 518 (2010),

11 XRD (X-ray Diffration) Metody i techniki badawcze (2) Metoda badania ciał stałych i cieczy za pomocą pomiaru dyfrakcji promieniowania Roentgena. Widam XRD stop Pd Pt Rh (76% Pd, 13% Rh and 11% Pt) osadzonego na Au. Źródło: M. Lukaszewski, M. Grden, A. Czerwinski, Journal of Electroanalytical Chemistry 573 (2004)

12 Metody i techniki badawcze (3) SEM (Scanning Electron Microscope) Metoda badania powierzchni polegająca na pomiarach efektów oddziaływania wiązki elektronów z analizowaną powierzchnią. EDS (Energy Dispersion Spectroscopy) Detektor mikroskopu SEM umożliwiający pomiar energii wtórnego promieniowania Roentgena. Obraz SEM stopu Pd-Pt-Rh (40% Pd 25% Pt 35% Rh) Źródło: M. Łukaszewski, A. Czerwiński / Thin Solid Films 518 (2010)

13 Metody i techniki badawcze (4) ASA-ICP-MS (Atomic Absorption Spectrometry Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) - Roztworzenie próbki stopu Pt- Rh-Pd w wodzie królewskiej - Analiza składu stopu na podstawie m/z w widmie MS Źródło: 1 3

14 Metody i techniki badawcze (5) Chronowoltamperometria stripingowa - Adsorpcja kwasu mrówkowego przy stałym potencjale - Usunięcie kwasu mrówkowego z roztworu - Woltamperometryczne utlenienie adsorbatu, rejestracja krzywej I = f(e) Krzywa woltamperometryczna Pd Pt Rh ( ) czysta elektroda; ( ) po adsorpcji CO2 Źródło: M. Łukaszewski et al. / Electrochimica Acta 49 (2004)

15 Metody i techniki badawcze (6) Chronoamperometria stripingowa - Adsorpcja kwasu mrówkowego przy stałym potencjale - Usunięcie kwasu mrówkowego z roztworu - Chronoamperometryczne utlenienie adsorbatu, rejestracja krzywej I = f(t) Krzywa chromoamperometryczna elektroutleniania kwasu mrówkowego; 3 M HCOOH, 1 M H 2 SO 4 Źródło: Z. Liu et al. / Journal of Power Sources 161 (2006)

16 Oczekiwane rezultaty pracy Porównanie właściwości elektrokatalitycznych stopów Pt-Rh-Pd w stosunku do Pt w kontekście utleniania kwasu mrówkowego. Określenie: - stopnia zatruwania tego katalizatora produktami utleniania kwasu mrówkowego, - trwałości stopu, - otrzymanych prądów utleniania. 1 6

17 Dziękuje za uwagę 1 7