See veebileht kasutab küpsiseid kasutaja sessiooni andmete hoidmiseks. Veebilehe kasutamisega nõustute ETISe kasutustingimustega. Loe rohkem
Olen nõus
"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8380
ETF8380 "Hapniku elektrokeemiline redutseerumine plaatinavabadel katalüsaatoritel (1.01.2010−31.12.2014)", Ave Sarapuu, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Keemia Instituut.
ETF8380
Hapniku elektrokeemiline redutseerumine plaatinavabadel katalüsaatoritel
Electrochemical reduction of oxygen on non-platinum catalysts
1.01.2010
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.11. Keemia ja keemiatehnikaP401 Elektrokeemia 1.3. Keemiateadused (keemia ja muud seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2010−31.12.2010216 000,00 EEK (13 804,92 EUR)
01.01.2011−31.12.201113 804,80 EUR
01.01.2012−31.12.201213 804,80 EUR
01.01.2013−31.12.201313 804,80 EUR
01.01.2014−31.12.201413 804,80 EUR
69 024,12 EUR

Projekti eesmärgiks on uurida hapniku elektrokeemilist redutseerumist kaht tüüpi plaatinavabadel elektrokatalüsaatoritel – palladiumil põhinevatel bimetallilistel katalüsaatoritel ja pürolüüsitud metall-N/C materjalidel. Uute katalüsaatorimaterjalide leidmine kütuselemendi jaoks asendamaks kallist ja maakoores vähelevinud plaatinat on tänapäeval üks olulisemaid uurimissuundi elektrokatalüüsis. Töö esimeses etapis kavatseme uurida hapniku redutseerumist pallaadiumiga kaetud metallide nanosaarekestel, mis valmistatakse vaakumaurustamisel tasapinnalistele elektroodidele. Sellised süsteemid on käsitletavad praktiliste katalüsaatorite (bimetallilised nanoosakesed kõrge eripinnaga süsinikul) mudelina ja elektroodide lihtne valmistusviis annab võimaluse testida paljusid erinevaid struktuure, et selgitada trende bimetalliliste süsteemide käitumises elektrokatalüsaatoritena ning luua fundamentaalne baas praktiliste katalüsaatorite arendamiseks. Esmajärjekorras on kavas uurida Pd-Fe ja Pd-Co süsteeme. Töö teises etapis on plaanis keskenduda hapniku redutseerumise uurimisele metall-N/C katalüsaatoritel. Oma odavuse tõttu on need perspektiivsed materjalid tuleviku kütuselemendi katoodide valmistamiseks, kuna neid on võimalik toota anorgaaniliste metallisoolade, mitmesuguste lämmastikku sisaldavate lähteainete ja süsinikmaterjali pürolüüsil. Tänapäeval on uurimustöö suunatud katalüsaatorite valmistustingimuste optimeerimisele, et tõsta nende elektrokatalüütilist aktiivsust ja stabiilsust. On leitud, et lähteaineks oleva süsinikmaterjali mikropoorsusel on oluline roll katalüsaatori aktiivsuse määramisel. Käesolevas uurimuses on kavas Fe-N/C ja Co-N/C katalüsaatorite valmistamisel kasutada uudseid karbiidsest lähteainest valmistatud süsinikmaterjale, mille eeliseks on ühtlase suuruse ja jaotusega poorid. Erilist tähelepanu on kavas pöörata H2O2 moodustumise uurimisele hapniku redutseerumisreaktsiooni käigus, kuna see on seda tüüpi katalüsaatorite aktiivtsentrite degradatsiooni üks peamisi põhjuseid. Elektrokeemilised mõõtmised viiakse läbi tsüklilise voltamperomeetria ja pöörleva (rõngas-)ketaselektroodi meetodil. Elektroodide pinna ja katalüsaatorite struktuuri uurimiseks kasutatakse aatomjõumikroskoopiat, skaneerivat elektronmikroskoopiat ja röntgenfotoelektronspektroskoopiat. Uurimustöö olulisus seisneb uudsete katalüsaatormaterjalide arendamises madalatemperatuuriliste kütuselementide katoodide jaoks.
The aim of this project is to study the electrochemical reduction of oxygen on two promising groups of non-platinum electrocatalysts – palladium-based bimetallic catalysts and pyrolysed metal-N/C materials. Searching new cathode materials for fuel cells to replace expensive and scarce Pt is to date one of the most important subjects of study in the field of electrocatalysis. In the first part of the research, oxygen reduction on Pd coated nanoislands of other metals prepared by vacuum deposition onto flat electrodes will be studied. These can be regarded as model systems for practical catalysts (Pd-shell/alloy-core nanoparticles on high surface area carbon) and easy preparation of such electrodes gives us the possibility to test a variety of structures, in order to improve the knowledge about electrocatalytic trends of Pd bimetallic surfaces and to provide a fundamental basis for the development of practical catalysts. The alloying metals of first choice that will be studied are Fe and Co. In the second part, oxygen reduction will be studied on metal-N/C catalysts. These materials are promising candidates for future fuel cell cathodes, especially due to their low cost, as these can be produced by pyrolysis of cheap inorganic metal salts, nitrogen-containing chemicals and supporting carbon. Current research efforts are directed towards optimising the preparation conditions of the catalysts, in order to improve their electrocatalytic activity and stability. Amongst the other factors determining the activity of the final catalysts, microporosity of the starting carbon material has been highlighted. In this researh, novel carbide-derived carbons having uniform and well determined pore size will be employed as supporting materials in the preparation of Fe-N/C and Co-N/C catalysts. Special attention will be devoted to studying of the H2O2 formation during the oxygen reduction reaction, as this is a major reason of degradation of active centres of the catalysts. Electrochemical measurements will be carried out using cyclic voltammetry and rotating (ring) disk electrode method. The surface structure of the electrodes and catalysts will be examined employing atomic force microscopy, scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. This search is highly relevant for the development of cathode catalysts for low-temperature fuel cells.
Uuriti hapniku elektrokeemilist redutseerumist plaatinavabadel elektrokatalüsaatoritel, kaugema eesmärgiga töötada välja uusi materjale madalatemperatuurilise kütuseelemendi katoodi jaoks. Keskenduti peamiselt erinevatele pallaadiumi sisaldavatele katalüsaatoritele, milleks olid vaakumaurustatud ja elektrosadestatud õhukesed kiled, erikujulised Pd nanoosakesed (kuubi- ja sfäärikujulised), PdCo ja PdFe sulamite nanoosakesed ning elektrosadestatud PdAu sulamid. Töö teises etapis uuriti O2 redutseerumist mitteväärismetallkatalüsaatoritel - Fe ja Co sisaldavatel lämmastikuga dopeeritud süsinikaerogeelidel. Materjalide elektrokeemiliseks testimiseks kasutati tsüklilise voltamperomeetria ja pöörleva (rõngas-)ketaselektroodi meetodeid. Pinna morfoloogia ja koostise määramiseks kasutati läbistuselektronmikroskoopia, skaneeriva elektronmikroskoopia, aatomjõumikroskoopia, röntgenfotoelektronspektroskoopia ja röntgendifraktsioonanalüüsi meetodeid. Tulemused näitasid, et Pd-sisaldavate katalüsaatorite aktiivsus O2 redutseerumisel sõltub nii katalüsaatori morfoloogiast kui ka sulami koostisest. Kuubikujulised Pd ja Au nanoosakesed olid O2 redutseerumisel sfäärikujulistest osakestest oluliselt kõrgema eriaktiivsusega nii happelises kui ka leeliselises keskkonnas. See on selgitatav aktiivseima (100) tahu eelistatud esinemisega nanokuupide pinnal. PdCo ja PdFe sulamite nanoosakeste eriaktiivsus O2 redutseerumisel oli võrreldav puhta Pd aktiivsusega, kuid PdAu sulamite ja Au pinnale elektrosadestatud Pd aktiivsus leeliselises lahuses oli mõnevõrra kõrgem. Pd sisaldavate katalüsaatorite pinnal toimus peamiselt hapniku 4-elektroniline redutseerumine vee tekkeni ja reaktsiooni kiirust limiteerivaks staadiumiks oli esimese elektroni aeglane ülekanne. Fe ja Co sisaldavad lämmastikuga dopeeritud süsinikaerogeelid olid üsna aktiivsed ja stabiilsed katalüsaatorid O2 redutseerumisel leeliselises lahuses ning katalüüsisid samuti eelistatult O2 4-elektronilist redutseerumist. Co sisaldava katalüsaatori massaktiivsus oli mõnevõrra suurem Fe sisaldava materjali aktiivsusest.