Development of carbon supported Pt–CeO2 catalysts for proton exchange membrane fuel cells

Abstract

Praeguseks on vesiniktehnoloogiatest ja vesinikuautost saanud maailmamajanduse lahutamatu osa. On oluline rõhutada, et vesinik mängib kriitilist rolli paljudes tööstuslikes rakendustes. Ärimagnaadi ja ettevõtte Tesla Inc kaasasutaja Elon Muski hiljutine tähelepanuväärne samm – mais 2024 vallandatud 500 Supercharger Team’i töötajat – räägib palju Tesla Inc muutuvast elektrisõidukite kontseptsioonist ning tõstatab küsimuse, kas Tesla liigub vesinikuautode tehnoloogia suunas? Toyota Mirai vesinikuauto sisemõõtmed on väiksemad kui tavalise sisepõlemismootoriga auto omad, kuna vesiniku ruumalaline energiamahutavus on võrreldes bensiiniga väiksem. Sisemõõtmete probleemi üks lahendus on võtta autodes kasutusele teisi kütuseid, näiteks metanool või etanool, sest ühe liitri metanooli või etanooli energiasisaldus on vastavalt 50% ja 70% ühe liitri bensiini energiasisaldusest, mis on vastavalt 27 ja 35 korda kõrgem kui vesiniku energiasisaldus rõhul 70 baari. Metanooli kütusena kasutava elektriauto südameks on otsemetanool-kütuseelement (DMFC), mis muundab metanooli keemilise energia elektriks. DMFCde laiaulatusliku kasutuselevõtu olulised takistused on seni olnud DMFC anoodkatalüsaatori madal kasutegur ja ajaline ebastabiilsus. Seetõttu keskenduti selles doktoritöös uue DMFC anoodkatalüsaatori välja arendamisele. Tartu Ülikoolil selge visioon rohelise energia tulevikust on kooskõlas käesoleva doktoritööga. Doktoritöö raames töötati välja läbimurdeline Pt–CeO2/C anoodkatalüsaator, mis on vähemalt sama aktiivne ja stabiilne kui kirjandusest leitavad parimad katalüsaatorid. Laboratoorsel skaalal saavutas sünteesitud katalüsaator elektroodi potentsiaalil 0,50 V metanooli oksüdeerimisvoolu väärtuse 0,86 〖"A g" 〗_"Pt" ^(-"1" ) ja elektroodi potentsiaalil 0,85 V 201 〖"A g" 〗_"Pt" ^(-"1" ). Selle suurepärase tulemuse saavutamiseks optimeeriti edukalt Pt ja CeO2 nanoosakeste sünteesimeetodeid. Mõistmaks struktuuri mõju katalüütilisele aktiivsusele uuriti põhjalikult katalüsaatorite struktuuri ja elektrokeemilist aktiivsust. Selgitati välja mitmed sünteesi võtmetegurid, mis mõjutavad metanooli oksüdeerimisaktiivsust katalüsaatoritel. Samuti töötati välja uus DMFC katalüsaatori süsinikkandjamaterjal, mis on parem kommertsiaalsetest süsinikest.

Hydrogen technology and hydrogen-based transportation are undoubtedly indispensable parts of the global economy. Hydrogen plays a crucial role in many industrial applications. As a notable development in May 2024, the CEO of Tesla Inc., Elon Musk, fired 500 Supercharger Team employees. This move speaks volumes about Tesla’s changing vision for electric vehicles and raises the question of whether they also will transition to hydrogen car technology. The Toyota Mirai hydrogen car’s interior space is smaller than that of a typical car with an internal combustion engine. This is due to the low volumetric energy density of hydrogen compared to petrol. The interior space volume issue can be solved by the use of other fuels in electric cars, such as methanol or ethanol, because the energy stored in one litre of methanol or ethanol equals 50% (in methanol) and 70% (in ethanol) of the energy of one litre of petrol and is respectively 27 and 35 times higher than that of hydrogen at a pressure of 70 bar. The heart of an electric car using methanol fuel is a direct methanol fuel cell (DMFC), which converts the chemical energy of methanol into electricity. The University of Tartu has a clear vision for the future of green energy. Therefore, this study was conducted to develop the Pt-CeO2/C catalysts for DMFC. Since the performance and stability of the DMFC anode catalysts are significant obstacles to the commercialisation of DMFCs, the breakthrough Pt–CeO2/C anode catalyst that is highly active and as stable as the best Pt–CeO2/C catalysts reported by other researchers was developed. On the laboratory scale, the methanol oxidation activity of the catalyst synthesised reached 0.86 〖"A g" 〗_"Pt" ^(-"1" ) at an electrode potential of 0.5 V and 201 〖"A g" 〗_"Pt" ^(-"1" ) at an electrode potential of 0.85 V. To achieve this result, the synthesis method of Pt and CeO2 nanoparticles was optimised using various approaches. The structure and electrochemical performance of the catalysts were thoroughly investigated to elucidate the structure-induced effects on the catalytic activity. The current thesis explains many factors of the synthesis that affect the methanol oxidation activity of the catalysts. A novel DMFC catalyst carbon support superior to commercial carbon was also developed.