Struktur, elektrokatalytische Aktivität und elektrochemische Stabilität von bimetallischen Pt-Ni Nanopartikeln für die Sauerstoffreduktionsreaktion und Wasserstoffevolutionsreaktion
Rudi, Stefan - Technische Universität Berlin (2014)
Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit der Synthese, den strukturellen Untersuchungen und der elektrokatalytischen Aktivität und Stabilität von neuartigen bimetallischen Pt-Ni Nanopartikeln für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und Wasserstoffevolutionsreaktion (HER). Nach der Synthese monodisperser nanostrukturierter Pt-Ni Legierungen, insbesondere PtNi3, und der Charakterisierung der innovativen Katalysatormaterialien mittels eines umfangreichen Spektrums an Analysetechniken wie Röntgendiffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), optischer Emissionsspektroskopie (ICP OES) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) wurde die katalytische Aktivität und Stabilität der optimierten Katalysatoren mit Hilfe von elektrochemischen Messungen mit einer Rotationsscheibenelektrode (RDE) bestimmt.
Zur empirischen Optimierung der Katalysatorzusammensetzung wurde eine Messreihe bimetallischer Nanopartikel PtxNi100-x (x = 14 - 100) synthetisiert und auf ihre katalytische ORR Aktivität untersucht. Für das beste Katalysatormaterial wurde der Einfluss der thermischen Nachbehandlung (Temperaturobergrenze, Gasatmosphäre, Haltezeit) auf das Partikelwachstum sowie auf die katalytische Aktivität und Stabilität ausgehend aus dem PtNi3 Präkursor ermittelt und zusätzlich der Partikelgrößeneffekt der Pt-Ni Nanopartikel in Abhängigkeit der ORR Aktivität näher untersucht. Pt und PtNi3 Katalysatoren wurden in sauren und alkalischen Elektrolyten für die ORR und HER untersucht. Die Oberflächenstruktur des PtNi3 Katalysators wurde durch die Vorbehandlung und die Wahl des Elektrolyten so modifiziert, dass die Oberflächenstruktur und die Oberflächenzusammensetzung von Vorbehandlungsprotokollen abhängig waren. Die katalytische Effekte und die pH-Abhängigkeit wurden für die HER aufgedeckt. Die vielversprechendsten Pt-Ni ORR Nanokatalysatoren wurden zusätzlich auf den Einfluss ihres Entlegierungsverhaltens auf die Oberflächenrauigkeit der Partikel, die katalytische ORR Aktivität und das Ni Gehalt im Partikel untersucht sowie eine vergleichende Studie über die Bestimmung der elektrochemisch aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA) durchgeführt. Dazu wurde die Abhängigkeit der Oxidationsladung von atomar unterpotentialabgeschiedenem Wasserstoffs (Hupd) sowie adsorbiertem CO von unterschiedlichen elektrochemischen festgestellt.
Zusammenfassend liefert diese Doktorarbeit wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung innovativer, stabiler Pt-Ni Katalysatoren als Kathodenmaterial für die ORR und HER, die sowohl in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC) als auch alkalischen Brennstoffzellen (AFC) einsetzbar sind.