Preparation of platinum nanoparticles on metal oxide loaded carbon nanotube for catalysis enhancement of Oxidation in low-temperature fuel cells

การเตรียมอนุภาคนาโนแพลทินัมบนท่อนาโนคาร์บอนหาบโลหะออกไซด์เพื่อเพิ่มการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันในเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำ

Name: Suphitsara Maturost

ThaSH: Carbon nanotubes

ThaSH: Metallic oxides

ThaSH: Fuel cells

Abstract: A platinum (Pt) catalyst is an important part in anode catalyst layer for lowtemperature fuel cells. However, the efficiency of these fuel cells mainly depends on the electrocatalytic activities of Pt-based anodic catalysts and low kinetics of small organic molecule electro-oxidation is also the main problem. A critical anode fuel-poisoning problem in this fuel cell systems owing to carbon monoxide (CO) formation upon the electrooxidation of those organic liquid fuels is the also major difficulty. An anode catalyst can be developed by the addition of some metal oxides (MO) into a Pt based catalyst system, which can effectively promote the electro-oxidation. The fuels of small organic molecules used in this work are methanol, ethanol, and formic acid. This work aims to fabricate of effective anode electrocatalyst with low CO formation for low-temperature fuel cell application. The catalyst comprises three components, multiwall carbon nanotube (CNT), Pt and metal oxides (MO) i.e. ceria oxide (CeO2) and coper oxide (CuO), and the prepared catalysts are denoted as xPt−yMO/10CNT where x and y are the quantities of Pt and MO, respectively. The synthesis of electrocatalysts was executed through two steps: attaching of MO nanoparticles onto CNT by the alcothermal method followed by Pt loading onto the metal oxide modified carbon nanotube support by chemical reduction. The oxidation currents depend on the of MO and Pt contents. Among the prepared catalysts and commercial catalysts, the obtained 1Pt–3MO/10CNT electrocatalyst (the 1: 3: 10 mass ratios of Pt, MO and CNT) shows high electrochemical surface area, oxidation activity and stability for the oxidation of methanol, ethanol, and formic acid. The physical characterization of the prepared catalysts was determined by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrocatalytic performance of the prepared catalysts was examined by electrochemical measurements, i.e., cyclic voltammetry (CV), CO stripping voltammetry and chronoamperometry (CA). The enhancement of the catalytic activity is attributed to changes in the surface electronic structures of Pt and MO on the CNT surface that incrementally affects the active sites for oxidation processes. A required catalytic performance for these oxidations was also observed with small-size and high-dispersion of the Pt catalysts (2-5 nm) on the MO/CNT support nanocomposite. The results also show substantial improvement in the kinetics for oxidations and mass transfer efficiency owing to the improved catalyst structure. These results imply that the prepared catalysts have promising potential for application in low-temperature fuel cells.

Abstract: ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมมีความสำคัญในชั้นของตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง แบบอุณหภูมิต่ำอย่างไรก็ตามประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นกับการเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าของ ตัวเร่งปฏิกิริยาของขั้วแอโนดที่มีแพลทินัมเป็นฐานและเนื่องจากปัญหาของการเกิดปฏิกิริยา ออกซิเดชันของโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็กมีค่าจลนพลศาสตร์ต่ำ ปัญหาการเกิดของสารมัธยันต์ คาร์บอนมอนอกไซด์เข้าไปทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง นับเป็นความ ยากอีกปัญหาหนึ่งของการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดสามารถทำได้โดย การเติมโลหะออกไซด์ (MO) ลงไปในระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีแพลทินัมเป็นฐานเพื่อเพิ่ม ประสิทธิภาพปฏิกิริยาไฟฟ้าออกซิเดชันที่ใช้โมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็กเป็นเชื้อเพลิง เช่น เมทานอล เอทานอล และกรดฟอร์มิก งานวิจัยนี้มุ่งหมายเพื่อเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาในขั้วแอโนดให้มีประสิทธิภาพด้วยการลดการเกิด คาร์บอนมอนอกไซด์สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแบบอุณหภูมิต่ำส่วนประกอบของตัวเร่งปฏิกิริยามีสาม ส่วน ได้แก่ ท่อนาโนคาร์บอนแบบหลายชั้น (CNT) โลหะแพลทินัม (Pt) และโลหะออกไซด์ (MO) เช่น ซีเรียมออกไซด์ (CeO2) และคอปเปอร์ออกไซด์ (CuO) เป็นต้น และสัญลักษณ์แทนตัวเร่งปฏิกิริยา จะแสดงเป็น xPt−yMO/10CNT เมื่อ x และ y คือปริมาณแพลทินัมและโลหะออกไซด์ ตามลำดับ การ สังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาดำเนินการผ่านสองขั้นตอนคือ การสังเคราะห์ตัวรองรับอนุภาคนาโนโลหะออกไซด์บนท่อนาโนคาร์บอน ด้วยกระบวนการอัลโคเทอร์มอล ตามด้วยการเติมอนุภาคนาโนโลหะ แพลทินัมไปยังตัวรองรับที่ดัดแปรด้วยโลหะออกไซด์และท่อนาโนคาร์บอนด้วยกระบวนการรีดักชัน ทางเคมี สำหรับการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของโมเลกุลอินทรีย์ ค่ากระแสออกซิเดชันจะขึ้นอยู่กับ ปริมาณโลหะออกไซด์และโลหะแพลทินัม เมื่อเปรียบเทียบระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้กับ ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงพาณิชย์ พบว่า 1Pt−3MO/10CNT (สัดส่วนโดยมวลของ Pt MO และ CNT เท่ากับ 1:3:10) มีพื้นผิวที่สามารถเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่มีค่าสูง สามารถเร่งเกิดปฏิกิริยาและมีความเสถียร ต่อการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั ของ เมทานอล เอทานอล และกรดฟอร์มิก การศึกษาคุณลักษณะทางกายภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้ด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) เทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) เทคนิค รามาน สเปกโทรสโกปี เทคนิควิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และสเปกโทรสโกปี ของ อนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยด้วยรังสีเอกซ์ (XPS) ส่วนประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้า ของตัวเร่งปฏิกิริยา วิเคราะห์ตรวจสอบด้วยวิธีทางไฟฟ้าเคมี เช่น เทคนิคไซคลิกโวลแทมเมตรี (CV) และ คาร์บอนมอนอกไซด์ สตริปปิงโวลแทมเมตรี และเทคนิคโครโนแอมเปอโรเมตรี (CA) เป็นต้น ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดจากการปรับปรุงโครงสร้างพื้นผิวอิเล็กตรอนของท่อ นาโนคาร์บอนที่มีแพลทินัมและโลหะออกไซด์มาเกาะบนพื้นผิว ซึ่งช่วยให้ตำแหน่งกัมมันต์ กระบวนการออกซิเดชันนั้นดียิ่งขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยา ออกซิเดชันได้เพิ่มขึ้นเนื่องจากขนาดโลหะนาโนแพลทินัมที่มีขนาดเล็ก (2 ถึง 5 นาโนเมตร) และมี การกระจายตัวดีบนวัสดุรองรับผสมระดับนาโนของโลหะออกไซด์และท่อนาโนคาร์บอน (MO/CNT) นอกจากนี้สมบัติทางจลนพลศาสตร์สำหรับการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และประสิทธิภาพ การถ่ายเทมวลมีประสิทธิภาพดีขึ้นเนื่องจากโครงสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีการดดั แปรจนเหมาะสม จาก ผลการทดลองดงั กล่าวเหล่านี้ได้บ่งชี้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมด้วยวิธีดังกล่าวนี้มีแนวโน้มที่สามารถนำ ไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงแบบอุณหภูมิต่ำได้เป็นอย่างดี

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Aphiruk Chaisena

Role: Chairman

Name: Paralee Waenkaew

Role: Member

Name: Napapha Promsawan

Role: Member

Name: Saengrawee Sriwichai

Role: Member

Name: Surin Saipanya

Role: Member

Created: 2020

Modified: 2566-01-04

Issued: 2022-09-01

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Chemistry

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	600551023.pdf	17.87 MB	1	2025-05-15 11:55:44

ใช้เวลา

0.017638 วินาที