Electrocatalysis of organic molecules on platinum catalysts surfaces: from the fundamentals to the polymer electrolyte fuel cell applications

Thumbnail Image

Files

urn100130.pdf (3.2 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian ja materiaalitieteiden tiedekunta | Licentiate thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2009

Department

Major/Subject

Fysikaalinen kemia

Mcode

Kem-31

Degree programme

Language

en

Pages

56

Series

Abstract

Orgaanisia polttoaineita käyttäviä polymeerielektrolyyttipolttokennoja (PEPK) voidaan käyttää energianlähteinä pienissä, kannettavissa sovellutuksissa korkeiden tehotiheyksiensä vuoksi. Nestemäiset polttoaineet kuten alkoholit ovat kiinnostavia polttoaineita kuluttajasovellutuksiin, koska ne ovat turvallisempia ja helpompia käyttää kuin kaasumaiset polttoaineet. Vaikka orgaanisia polttoainevaihtoehtoja on tutkittu jo vuosikymmeniä, niiden adsorptiota ja hapettumista platinakatalyyttien pinnalla ei vielä tunneta kunnolla, mikä on edellytyksenä käytännön sovellusten suunnittelussa. Työn kirjallisessa osassa käsitellään orgaanisten molekyylien elektrokatalyysiä eli niiden adsorboitumista sekä hapettumista erilaisille platinakatalyyttipinnoille. Näihin ilmiöihin vaikuttavat erityisesti valittu elektrodimateriaali, liuoksissa olevat ionit ja molekyylit sekä elektrodin potentiaali, joiden matemaattisia tarkasteluja voidaan käyttää hyväksi arvioitaessa elektrodimateriaalin soveltuvuutta tietyn orgaanisen aineen elektrokatalyysiin. Kokeellinen osa koostuu kahdesta julkaistusta artikkelista sekä lisämittauksista yksikide-elektrodeilla. Ensimmäisessä artikkelissa on tutkittu erilaisten orgaanisten, pienimolekyylimassaisten komponenttien kulkeutumista paljon käytetyn Nafion 115 membraanin läpi ajan funktiona sekä näiden polttoaineiden suorituskykyä PEPK:ssa. Metanoli pienikokoisimpana, varautumattomana molekyylinä kulkeutui nopeitten tutkitun membraanin läpi, mutta sillä saatiin korkeimmat virrantiheydet platina-ruteniumkatalysoidussa polttokennossa. Vaikka muut molekyylit eivät saavuttaneet metanolin kaltaisia virrantiheyksiä, isopropanolilla saavutettiin metanolia huomattavasti korkeampi avoimen virtapiirin jännite. Toisessa julkaisussa on näiden tulosten pohjalta tutkittu metanolin, isopropanolin sekä niiden muodostaman seoksen hapettumista elektrodeilla, joiden pinta-atomit ovat järjestäytyneet yhden kiderakenteen mukaisesti. Korkeimmat virrantiheydet alkoholiseokselle kummassakin happamassa elektrolyytissä saatiin Pt(111) kidepinnalla, joten lisämittauksia suoritettiin elektrodeilla, joilla oli Pt(111) suuntautuneet terassit sekä Pt(100) tai Pt(110) suuntautuneet askelmat. Tämän lisäksi 2- propanolin sekä alkoholiseoksen hapettumistuotteita tutkittiin infrapunaspektroskopialla, jolla havaittiin että molemmat puhtaat alkoholit alkoholiseoksesta sekä adsorboituvat että hapettuvat Pt(111) pinnalla. Valitettavasti selvyyttä siihen miten alkoholiseos edesauttaa isopropanolin hapettumista, ei näillä mittausmenetelmillä saatu.

Polymer electrolyte fuel cells (PEFC) fuelled with organic compounds can be used as energy sources in small, portable applications due to their high power density. Organic fuels such as low molecular mass alcohols have been studied for these applications due to their uncomplicated and relative safety when compared to gaseous fuels. However, although studied already for decades, the adsorption and oxidation mechanisms are still not well understood which is vital for the development of fuel cell applications. In the literature part electrocatalaysis of organic molecules is discussed: the electrode material, ions and molecules in the liquid phase and the electrode potential applied have highest influence on the adsorption and oxidation of these molecules. The probability of a metal to be a suitable catalyst for a certain organic molecule can be estimated by using the molecular orbital theory of both phases. The experimental part includes two published articles and auxiliary experiments with stepped single crystal electrodes. In the first publication, crossover through the Nafion 115 membrane as a function of time and performance in a PEFC for several organic molecules is studied. Methanol as the smallest uncharged molecules has the highest crossover rate through the studied membrane, however, also it produces superior performance in a platinum ruthenium catalysed PEFC. Even if other molecules do not reach the current densities produced with methanol, the open circuit potential obtained with isopropanol is dramatically higher compared to methanol. Consequently, in the second publication the oxidation of methanol, isopropanol and their mixtures has been studied on platinum single crystal electrodes. On Pt(111) the alcohol mixture produces higher current densities than pure alcohol solutions in acidic electrolytes (HClO4 and H2SO4). As a result stepped single crystals with Pt(111) terraces and steps of Pt(100) or Pt(110) configuration have also been studied. The only stepped surface which produced higher current densities has wide Pt(111) terraces and Pt(100) steps. In addition, the oxidation of 2-propanol and alcohol mixture is studied with IR spectroscopy and the results indicated that both isopropanol and methanol co-adsorbed on the Pt(111) surface, however, the explanation for the higher activity of an alcohol mixture compared to the isopropanol oxidation is still under investigation..

Description

Supervisor

Kontturi, Kyösti

Thesis advisor

Kallio, Tanja

Keywords

polymeerielektrolyyttipolttokenno, elektrokatalyysi, alkoholien hapettuminen, polymer electrolyte fuel cell, electrolyte fuel cell, electrocatalysis, oxidation of alcohols

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201203151593

Collections

[lic] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM