Naslov (srp)

Elektrokatalizatori na bazi Mn2O3, TiO2 i NiO sa deponovanim Ni i Pt za redukciju i izdvajanje kiseonika : doktorska disertacija

Autor

Mladenović, Dušan, 1992-

Doprinosi

Stojković Simatović, Ivana, 1987-
Milikić, Jadranka
Štrbac, Svetlana, 1979-
Mentus, Slavko, 1946-
Šljukić-Paunković, Biljana, 1975-

Opis (eng)

The constant increase in humanity's energy needs has led to increased consumption of fossilfuels, which according to some calculations will be completely consumed by the year 2050. On theother hand, the increased consumption of fossil fuels leads to the emission of a number of harmfulcompounds into the atmosphere, which in turn drastically impairs the quality of life of people andleaves enormous consequences for the living world. Therefore, scientists around the world areworking rapidly to find a new source of energy that would be renewable and environmentally friendly.One of the alternatives to fossil fuels is the so-called "hydrogen economy" which is based onthe use of hydrogen as a medium for storing and transporting energy. According to this model, energywould be stored in the form of hydrogen through the process of electrolysis when there is an inflowof energy from natural renewable sources such as solar energy, wind energy, water energy and nuclearenergy, while in moments of lack of inflow of energy from the primary source, the stored hydrogenwould be converted back into electricity in fuel cells.Fuel cells are systems that convert the chemical energy of reactants into electrical energy andwater. If in the fuel cell it is possible for the reaction to take place in the opposite direction, i.e., toproduce reactants (hydrogen and oxygen) from water and with the consumption of electricity, thensuch a cell is called a unitized regenerative fuel cell. The main problem during the design andconstruction of such a cell is the kinetically slow reactions of reduction and evolution of oxygen thattake place on the physically identical electrode. Therefore, the design and testing of efficientbifunctional catalysts that would be used to catalyse these reactions is crucial for the widerimplementation of these systems.Within this dissertation, a series of catalysts, based on transition metal oxides Mn, Ni and Ti,decorated with Pt and Ni nanoparticles, were synthesized which could potentially be used asbifunctional catalysts for the catalysis of oxygen reactions in regenerative fuel cells. At the beginning,three oxides were synthesized, Mn2O3, Mn2O3-TiO2 and Mn2O3-NiO, which were decorated withPtNi alloy nanoparticles by microwave irradiation and tested in 0.1 M KOH. Of the nine synthesizedcatalysts, the Mn2O3-NiO material decorated with PtNi nanoparticles showed the best catalyticperformance. This catalyst showed the highest values of jd at 1800 rpm (-4.48 mA cm-2), the lowestvalues of the parameter b of 62 and 109 mV dec-1, and the Koutecky-Levich analysis concluded thatthe oxygen reduction reaction takes place on this catalyst by a kinetically more favourable fourelectronmechanism. On the other hand, in the process of oxygen evolution, this catalyst showed oneof the lowest values of the overpotential required to reach a current density of 10 mA cm-2, whichapostrophizes its potential bifunctional application.In order to further improve the PtNi/Mn2O3-NiO catalyst, the oxide base was synthesized againby a partially modified method and doped with nitrogen in different ratios to obtain PtNi/Mn2O3-NiO-N catalysts with three different N:Mn2O3-NiO ratios. By testing the second set of synthesizedcatalysts, it was determined that the PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) catalyst shows the best performancewith a limiting diffusion current density at 1800 rpm during oxygen reduction of -2.94 mA cm-2 anda Tafel slope of 67 mV dec-1. The Koutecky-Levich analysis determined that on this catalyst the reduction of oxygen also predominantly takes place by a kinetically more favourable four-electronreduction mechanism with the number of exchanged electrons of 3.38. When examining the oxygenevolution reaction, it was found that PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) reaches a current density of 10 mAcm-2 at an overvoltage of 0.50 V, while the reaction onset potential was 1.61 V vs. RHE.Catalysts synthesized and tested within this doctoral dissertation showed very good bifunctionalperformance in terms of the catalysis of the investigated reactions, comparable to the commercialcatalysts Pt/C and IrO2, which are considered currently as the best catalysts for the oxygen reductionand evolution reactions, respectively. In addition to good catalytic performance, they also showedgood stability during long-term exploitation in a real regenerative fuel cell (simulated by the so-calledswitch test), so in the opinion of the author, the potential for commercial application of the synthesizedcatalysts is very high. Further tests should be directed towards further optimization of the synthesisand preparation of catalytic inks as well as towards designing a realistic regenerative fuel cell andtesting the performance of the catalyst in it.

Opis (srp)

Konstantan porast potreba čovečanstva za energijom doveo je do pojačane potrošnje fosilnihgoriva koja će po nekim proračunima biti potpuno potrošena do 2050. godine. Sa druge strane,povećana potrošnja fosilnih goriva dovodi do emisije niza štetnih jedinjenja u atmosferu što pakdrastično narušava kvalitet života ljudi i ostavlja ogromne posledice po živi svet. Zbog toga, naučniciširom sveta ubrzano rade kako bi pronašli neki novi izvor energije koji bi bio obnovljiv i ekološkiprihvatljiv.Jedna od alternativa fosilnim gorivim je tzv. „vodonična ekonomija“ koja se bazira nakorišćenju vodonika kao medijuma za skladištenje i transport energije. Po ovom modelu energija bise skladištila u obliku vodonika procesom elektrolize kada postoji dotok energije iz prirodnihobnovljivih izvora kao što su solarna energija, energija vetra, vode i nuklearna energija, dok bi se utrenucima nedostatka dotoka energije iz primarnog izvora uskladišteni vodonik konvertovao nazad uelektričnu energiju u gorivnim ćelijama.Gorivne ćelije su sistemi koji hemijsku energiju reaktanata pretvaraju u električnu energiju akao nusproizvod reakcije dobija se i voda. Ukoliko je u gorivnoj ćelije moguće odigravanje reakcijeu suprotnom smeru, tj. da se iz vode i uz utrošak električne energije proizvode reaktanti (vodonik ikiseonik), onda se takva ćelija naziva objedinjena regenerativna gorivna ćelija. Glavni problemprilikom dizajniranja i konstrukcije jedne ovakve ćelije predstavljaju kinetički spore reakcijeredukcije i izdvajanja kiseonika koje se odigravaju na fizički istoj elektrodi. Zbog toga je dizajniranjei ispitivanje efikasnih bifunkcionalnih katalizatora koji bi se koristili za katalizu ovih reakcija odključnog značaja za širu implementaciju ovih sistema.U okviru ove disertacije sintetisan je niz katalizatora koji za osnovu imaju okside prelaznihmetala Mn, Ni i Ti, i dekorisani su nanočesticama Pt i Ni, a koji bi se potencijalno upotrebljavali kaobifunkcionalni katalizatori za katalizu kiseoničnih reakcija u regenerativnim gorivnim ćelijama. Napočetku su sintetisana tri oksida, Mn2O3, Mn2O3-TiO2 i Mn2O3-NiO koji su metodom mikrotalansogozračivanja dekorisani nanočesticama legure PtNi i testirani su u 0,1 M KOH. Od devet sintetisanihkatalizatora najbolje performanse pokazao je Mn2O3-NiO materijal dekorisan nanočesticama PtNi.Ovaj katalizator pokazao je najveće vrednosti jd na 1800 rpm (-4,48 mA cm-2), najmanje vrednostiparametra b od 62 i 109 mV dec-1, a Kutečki-Levič analizom zaključeno je da se na ovom katalizatorureakcija redukcije kiseonika odigrava kinetički povoljnijim četvoro-elektronskim mehanizmom. Sadruge strane, u procesu izdvajanja kiseonika, ovaj katalizator je pokazao jednu od najmanjih vrednostinadnapona potrebnog za dostizanje gustine struje od 10 mA cm-2 što apostrofira njegovu potencijalnubifunkcionalnu primenu.Kako bi se dalje unapredio PtNi/Mn2O3-NiO katalizator, oksidna osnova je sintetisana iznova,delimično izmenjenom metodom, i dopirana je azotom u različitim odnosima kako bi se dobiliPtNi/Mn2O3-NiO-N katalizatori sa tri različita odnosa N:Mn2O3-NiO. Ispitivanjem drugog setasintetisanih katalizatora utvrđeno je da katalizator PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) pokazuje najboljeperformanse sa gustinom granične difuzione struje na 1800 rpm prilikom redukcije kiseonika od -2,94 mA cm-2 i Tafelovim nagibom od 67 mV dec-1. Kutečki-Levič analizom utvrđeno je da se naDoktorska disertacija Dušan Mladenovićovom katalizatoru redukcija kiseonika takođe pretežno odvija kinetički povoljnijim četvoroelektronskimmehanizmom redukcije sa brojem izmenjenih elektrona od 3,38. Prilikom ispitivanjareakcije izdvajanja kiseonika nađeno je da PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) dostiže gustinu struje od 10 mAcm-2 pri nadnaponu od 0,50 V dok je potencijal početka reakcije iznosio 1,61 V vs. RHE.Katalizatori sintetisani i testirani u okviru ove doktorske disertacije pokazali su vrlo dobrebifunkcionalne performanse u pogledu katalize ispitivanih reakcija koje su uporedive sakomercijalnim katalizatorima Pt/C i IrO2 koji se smatraju trenutno najboljim katalizatorima reakcijeredukcije i izdvajanja kiseonika, respektivno. Pored dobrih katalitičkih performansi pokazali sutakođe i dobru stabilnost pri dugotrajnoj eksploataciji u realnoj regenerativnoj gorivnoj ćeliji(simulirano tzv. svič testom), te je po mišljenu autora potencijal komercijalne primene sintetisanihkatalizatora izuzetno veliki. Dalja ispitivanja bi trebalo usmeriti ka daljoj optimizaciji sinteze ipripreme katalitičkih mastila kao i ka dizajniranju realne regenerativne gorivne ćelije i ispitivanjuperformansi katalizatora u njoj.

Opis (srp)

Fizička hemija - Fizička hemija materijala i Fizička hemija - elektrohemija / Physical Chemistry - Physical Chemistry of Materials and Physical Chemistry - Electrochemistry Datum odbrane: 10.06.2024.

Jezik

srpski

Datum

2024

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

hydrogen economy; unitized regenerative fuel cell; oxygen reduction reaction; oxygen evolution reaction; transition metal oxides

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

vodonična ekonomija; objedinjene regenerativne gorivne ćelije; reakcija redukcije kiseonika; reakcija izdvajanja kiseonika; oksidi prelaznih metala