Electroreduction of oxygen on carbon nanomaterial-based catalysts

Date

2013-06-28

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Doktoritöös uuriti hapniku elektrokeemilist redutseerumist erinevatel süsiniknanomaterjalidel. Süsinikmaterjalide pinda modifitseeriti ka raud- ja koobaltftalotsüaniinide ning -porfüriinidega ja uuriti nende elektrokatalüütilisi omadusi. Hapniku elektroredutseerumist uuriti happes töödeldud ning töötlemata süsiniknanotorudega modifitseeritud klaassüsinikelektroodidel 0,5 M H2SO4 lahuses. Tulemused näitasid, et süsiniknanotorude hapetes töötlemine omab materjali elektrokatalüütilistele omadustele märkimisväärset efekti ning nanotorude sünteesi käigus neisse jäävad metallide jäägid määravad paljuski nende materjalide elektrokatalüütilise aktiivsuse hapniku redutseerumisel happelises keskkonnas. Hapniku redutseerumise ekperimendid mitmeseinaliste ja kaheseinaliste süsiniknanotorudega näitasid mõlemat tüüpi nanotorude kõrget elektrokatalüütilist aktiivsust leeliselises keskkonnas. Uuriti hapniku elektrokeemilise redutseerumise pH-sõltuvust ja pindaktiivsete ainete põhjustatud efekti. Mitmeseinaliste süsiniknanotorudega modifitseeritud elektroodidel saadud hapniku redutseerumise pH-sõltuvus sarnaneb kvalitatiivselt poleeritud klaassüsinikelektroodiga saadud andmetele. Mõõtmistulemuste alusel võib väita ka seda, et pindaktiivsete ainete mõju hapniku elektrokeemilisele redutseerumisele on ilmne. Erinevate süsiniknanomaterjalidega modifitseeritud elektroodide hapniku redutseerumise uuringud näitasid, et kõik kasutatud süsinikmaterjalid omasid leeliselistes lahustes suurt katalüütilist aktiivsust. Töö ühe osana valmistati süsiniknanotorude ja metalloftalotsüaniinide ning metalloporfüriinide abil madalatemperatuurilise kütuseelemendi katalüsaatormaterjale. Leiti, et 800 °C juures pürolüüsitud katalüsaator näitab hapniku elektroredutseerumisel kõrgeimat aktiivsust. Lisaks viidi läbi ka katalüsaatormaterjalide uurimine leeliselises OH− ioonvahetusmembraaniga kütuseelemendis. Koobaltftalotsüaniin/süsiniknanotorud katalüsaatori maksimaalne võimsustihedus oli sarnane 20%-lisele Pt/C katalüsaatorile. Porfüriinid ja ftalotsüaniinid seondati redutseeritud grafeenoksiidi pinnale füüsikalise adsorptsiooni meetodil. Elektrokeemilised mõõtmised näitasid grafeenil põhinevate katalüsaatorite suurepäraseid katalüütilisi omadusi hapniku redutseerumisel leeliselises keskkonnas.
The electrochemical reduction of oxygen on different nanocarbons and nanocarbon supported metallophthalocyanines and metalloporphyrins has been investigated using the rotating disk electrode (RDE) method. The oxygen reduction reaction (ORR) was studied on carbon nanotubes purified in different acids. The RDE results showed that the acid treatment of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) has strong effect on the electrocatalytic activity for ORR in acid solution and clearly demonstrated the effect of catalyst impurities remained in CNTs on the kinetics of the ORR. MWCNT and double-walled carbon nanotube (DWCNT) modified electrodes were investigated as catalysts for ORR in alkaline media. The results showed that both MWCNTs and DWCNTs possess excellent electrocatalytic activity towards the ORR in alkaline solution. The pH-dependence of the ORR and the effect of surfactants on this reaction was studied using MWCNT modified glassy carbon (GC) electrodes. The pH dependence of the ORR on MWCNT-modified electrodes follows the same trend as that of bare GC. The effect of surfactants on the reduction of O2 on MWCNT/GC electrodes was evident. The electroreduction of oxygen has been studied on different carbon nanomaterials. The results obtained in this part of research indicate that these nanocarbon materials are highly active for the reduction of oxygen in alkaline solution and this activity might be caused by native quinone-type groups on their surface. Metallophthalocyanines and metalloporphyrins were studied as non-noble metal electrocatalysts for ORR in both acid and alkaline media. It was found that metal porphyrin and phthalocyanine-based electrodes heat-treated at 800 °C yielded the highest electrocatalytic activity. Metallophthalocyanine/MWCNT catalysts were also evaluated in anion-exchange membrane fuel cell. The fuel cell performance of the membrane-electrode assemblies with Co phthalocyanine was found to be similar to the commercial Pt/C catalyst. Finally, the reduced graphene oxide (rGO) nanosheets as advanced electrocatalyst supports were prepared. Metallophthalocyanines and metalloporphyrins modified rGO exhibited excellent electrocatalytic properties for ORR in alkaline media.

Description

Väitekirja eletkrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Keywords

katalüsaatorid, süsinikmaterjalid, hapnik, elektrokeemiline reduktsioon, catalysts, carbon materials, nanomaterials, oxygen, electrochemical reduction

Citation