Badanie utleniania kwasu mrówkowego na stopach

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
Plan prezentacji

Ogniwa paliwowe

Utlenianie kwasu mrówkowego

Stop Pt-Rh-Pd jako materiał anodowy

Cel pracy

Metody i techniki badawcze

Oczekiwane rezultaty pracy
2
Ogniwa paliwowe (1)
DFAFC (Direct Formic Acid Fuel Cell)
Reakcje zachodzące w ogniwie:
Anoda:
HCOOH → CO2 + 2H+ + 2e
Katoda:
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O
HCOOH + ½O2 → CO2 + H2O
Źródło: http://www.auto-motor-i-spotr.pl
3
Ogniwa paliwowe (2)
Główne zalety DFAFC:
- wysoka teoretyczna siła
elektromotoryczna ogniwa,
- kwas mrówkowy jest silnym
elektrolitem,
- ograniczony transport paliwa
przez membranę nafionową,
- sprawność teoretyczna
procesu: ηteor = 1,05
Źródło: A. Czrewinski, „Akumulatory baterie ogniwa”,
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, str. 153
Źródło: http://www.personalweb.unito.it/
4
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: http://www.benchmark.pl/
http://www.auto-motor-i-sport.pl/
5
Utlenianie kwasu mrówkowego (1)
Na podłożu Pt:
Mechanizm procesu:
(1) HCOOH + Pt0 → CO2 + 2H+ + 2e
(2) HCOOH + Pt0 → Pt-CO + H2O
Pt0 + H2O → Pt-OH + H+ + e
Pt-CO + Pt-OH → 2Pt0 + CO2 + H+ + e
Krzywa CV utleniania kwasu mrówkowego na Pt; 0,1 M HCOOH w 0,5 M HClO4
Źródło: L. Palaikis, A. Wieckowski, Catalysis Latters, 1989, Volume 3, 143-158
6
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 + CO2 + H+ + e
Źródło: http://www.ukladokresowy.pl/
7
Stop Pt-Rh-Pd jako materiał anodowy (2)
Redukcja kosztów materiałów anodowych
- Dodatek palladu jako mniej kosztownego metalu.
- Badane stopy dwuskładnikowe: Pt-Ru1, Pt-Pd2, Pd-Ir3
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: http://www.andrzejbaranowski.pl/uncja
8
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
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), 3680-3689
10
Metody i techniki badawcze (2)
XRD (X-ray Diffration)
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) 87–98
11
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) 3680–3689
12
Metody i techniki badawcze (4)
ASA-ICP-MS
(Atomic Absorption Spectrometry Inductively Coupled Plasma Mass
Spectrometry)
- Roztworzenie próbki stopu PtRh-Pd w „wodzie królewskiej”
- Analiza składu stopu na
podstawie m/z w widmie MS
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Woda_kr%C3%B3lewska
13
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) 3161–3167
14
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 H2SO4
Źródło: Z. Liu et al. / Journal of Power Sources 161 (2006) 831–835
15
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.
16
Dziękuje za uwagę
17