background image

 

 

PRACOWNIA ELEKTROANALIZY CHEMICZNEJ

NOWE STRATEGIE  W ELEKTROKATALITYCZNEJ REDUKCJI TLENU W ŚRODOWISKU KWAŚNYM

AGATA ZIELENIAK
Promotor: dr K. Miecznikowski
Opiekun:  mgr A. Kolary-Żurowska 

prof. dr hab. P.J. Kulesza

W  okresie  ostatnich  lat  obserwuje  się  ogromne  zainteresowanie  pozyskiwaniem  alternatywnych  źródeł  energii 
takich  jak  ogniwa  paliwowe,  które  przekształcają  energię  chemiczną  zmagazynowaną  w  paliwie  (np.  wodorze) 
bezpośrednio  w  energię  elektryczną.  Najczęściej  spotykanym  katalizatorem  w  ogniwach  paliwowych  jest  platyna. 
Wprawdzie  nanocząstki  platyny  osadzone  na  nośniku  węglowym  są  dość  efektywnym  katalizatorem  reakcji 
elektroredukcji tlenu, to istnieje konieczność ich aktywacji i stabilizacji w celu zwiększenia czasu pracy oraz mocy 
ogniwa paliwowego (np. wodorowo-tlenowego). 
W  pracy  zwrócono  szczególną  uwagę  na  nowe  układy  elektrokatalityczne:  nanocząstki  RuSe

x

/C  do  reakcji 

elektroredukcji  tlenu  o  potencjalnym  znaczeniu  w  konstrukcji  metanolowych  ogniw  paliwowych  DMFC  (Direct 
Methanol  Fuel  Cell).  Rozważane  układy  charakteryzują  się  nie  tylko  znaczną  reaktywnością  w  procesie  redukcji 
tlenu, ale i wykazują praktycznie całkowitą tolerancją na obecność metanolu. 

Obrazy uzyskane za pomocą Transmisyjnego 

Mikroskopu Elektronowego (TEM) (A) 

nanocząstki RuSe

x

/C; (B) nanocząstki 

RuSex/C modyfikowane WO

3

Cykliczna Krzywa Woltamperometryczna Badanego Układu w Obecności i w Nieobecności Tlenu

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-0.3

0.0

0.3

a

c

b

 

 

m

A

E / V vs RHE

A

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

c

b

a

 

 

I /

 m

A

E / V vs RHE

B

(A) Cykliczne krzywe woltamperometryczne (a) 

nanocząstek RuSe

x

/C (b) nanocząstek RuSe

x

/C 

modyfikowany WO

3

 i (c) nanocząstek Pt osadzonych 

na węglu szklistym i zarejestrowanych w 

odtlenionym roztworze 0.5 mol dm

-3 

H

2

SO

4

szybkość przemiatania potencjałem 50 mV s

-1

. (B) 

Krzywe woltamperometryczne po odjęciu tła 

zarejestrowane w natlenionym elektrolicie 

podstawowym.

A

B

 

0

100

200

300

400

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0

20

40

60

80

100

120

 

 

E

 / 

V

j / mA cm

-2

b

a

b'

a'

 

M

o

c

 (m

W

/c

m

2

)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

B

 

 

j

d

 / 

m

A

 c

m

-2

E / V vs RHE

a

b

c

 

 

I

r

 / 

A

A

a'

b'

c'

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 10 20 30 40 50 60

0

2

4

6

8

B

 

 

j

li

m

-1

 / 

m

A

-1

 c

m

2

-1/2

 / (rpm)

-1/2

A

a

b

 

 

j

lim

 / 

m

A

 c

m

-2

1/2

 / (rpm)

1/2

b

a

0.2

0.4

0.6

0.8

0

2

4

6

 

 

X

 %

H

2

O

2

E / V vs RHE

a

b

c

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-6

-4

-2

0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-6

-4

-2

0

 

 

j /

 m

A

 c

m

-2

E / V RHE

A

B

 

 

j /

 m

A

 c

m

-2

E / V RHE

Krzywa woltamperometryczna zarejestrowana dla wirującej 

elektrody dyskowej z pierścieniem (RRDE); szybkość 

przemiatania potencjałem 10 mV s

-1

 w 0.5 mol dm

-3

 H

2

SO

4

 przy 

szybkości wirowania 1600 obr. min.

-1

:

 

(A) prąd dysku (B) prąd 

pierścienia. Krzywe dla warstw (a) nanocząstek RuSe

x

/C, (b) 

nanocząstek RuSe

x

/C modyfikowane WO

(c) nanocząstek Pt. 

Potencjał przyłożony do pierścienia 1.2 V.

Zależność (A) Levich (B) Koutecky‑Levich 

dla redukcji tlenu (wyznaczona przy 

potencjale 0.5 V) na warstwach 

(osadzonych na węglu szklistym) (a) 

nanocząstek RuSe

x

/C ; (b) nanocząstek 

RuSe

x

/C+WO

3

Ilość wytwarzanego nadtlenku wodoru 

(%X

H2O2

) w stosunku do redukowanego 

tlenu w trakcie eksperymentu RRDE w 

zależności od przyłożonego potencjału 

dla warstw (a) nanocząstek RuSe

x

/C (b) 

nanocząstek RuSe

x

/C+WO

3

(c) 

nanocząstek Pt. Szybkość przemiatania 

potencjałem 10 mV s

-1

 

w 0.5 mol dm

-3

 H

2

SO

4

 przy szybkości 

wirowania 1600 obr. min.

-1

Krzywe prąd – potencjał otrzymane metodą wirującego 

dysku (RDE) dla procesu redukcji tlenu dla warstw (A) 

nanocząstek RuSe

x

/C modyfikowanych WO

3

 (B) 

nanocząstek Pt/C. Linie ciągłe dla natlenionego roztworu 

0.5 mol dm

-3

 H

2

SO

4

 w nieobecności metanolu. (A) gwiazdki 

(B) linia przerywana w obecności 0.5 mol dm

-3

 metanolu. 

Szybkość wirowania 1600 obr. min.

-1

Charakterystyka prądowo – napięciowa oraz zależność 

gęstości mocy w funkcji gęstości prądu wyznaczona 

dla paliwowego ogniwa wodorowo – tlenowego, w 

którym anodę stanowił katalizator złożony z 

nanocząstek Pt (0.4 mg cm

-2

, natomiast katoda była w postaci  nanocząstek 
RuSe

x

/C (a, a`) i modyfikowanych nanocząstek 

RuSe

x

/C (b,b`). W obydwu przypadkach ilość 

naniesionego RuSe

x

/C była jednakowa i wynosiła 0.4 

mg cm

-2

Wnioski:

Wzrost aktywności centrów katalitycznych nanocząstek RuSe

x

 

przez rozproszenie ich w matrycy przewodzącej tlenku wolframu 
(VI)

WO

3

 wykazuje właściwości katalityczne względem redukcji 

nadtlenku wodoru, stanowiąc źródło ruchliwych protonów, które z 
mechanistycznego punktu widzenia są niezbędne do 
przeprowadzenia efektywnej 4-elektronowej redukcji tlenu do 
wody

 WO

3

 jest dobrym mediatorem zdolnym do szybkiego przeniesienia 

elektronu do miejsc aktywnych nanocząstek RuSe

x

 

Aktywacja centrów inicjujących redukcję tlenu (RuSe

x

wspomagana aktywnością matrycy z tlenku wolframu (WO

3

powoduje przesunięcie potencjału redukcji tlenu w kierunku 
wartości bardziej dodatnich i zmniejszenie ilość wytwarzanego w 
tym procesie niepożądanego produktu pośredniego H

2

O

2

 

wyniki zostały opublikowane : A. Kolary-Żurowska, A. Zieleniak, K. 

Miecznikowski, B. Baranowska, S. Fiechter, P. Bogdanoff, I. 
Dorbandt, R. Marassi, P.J. Kulesza, „Activation of methanol-
tolerant carbon-supported RuSe

x

 electrocatalytic nanoparticles 

towards more efficient oxygen reduction”, J. Solid State 
Electrochemistry
, w druku

Cele pracy: 

Przygotowanie alternatywnych katalizatorów w 

postaci zawiesiny tzw. tuszu (ang. ink)

Opracowanie metod aktywacji nanocząstek RuSex/C 

w celu nie tylko zwiększenia gęstości prądowych (w 
przeliczeniu na jednostkę masy katalizatora), ale 
przede wszystkim w celu przesunięcia potencjału 
reakcji redukcji tlenu w kierunku potencjałów 
bardziej dodatnich. 

Przeprowadzenie analizy kinetycznej z 

wykorzystaniem diagnostycznej techniki wirującej 
elektrody dyskowej (RDE) oraz wirującej elektrody 
dyskowej z pierścieniem (RRDE).

Przeprowadzenie testów z wykorzystaniem ogniwa 

paliwowego, w których jako katodę zastosowano 
układ nanocząstek RuSex/C modyfikowanych 
tlenkiem wolframu

Podziękowania:

Pomiary przy zastosowaniu testowego ogniwa paliwowego zostały przeprowadzone 
przez mgr A. Kolary-Żurowską dzięki uprzejmości prof. R. Marassi z University of 
Camerino, Włochy.


Document Outline