Development of non-noble (Co-n/mwcnt) and polybenzimidazole-modified (Pt-pbi/mwcnt) electrocatalysts for high-temperature pem fuel cell applications

PEM yakıt hücrelerinin birim maliyetini azaltma ve ticari kullanım alanlarının yaygınlaşmasını sağlama amacı ile yapılan çalışmalarda, mevcut platin grubu değerli metallerden hazırlanmış elektro-katalizörlerin, daha düşük maliyetli ve yüksek performanslı katalizörler ile değiştirilmesi oldukça önem arz etmektedir. Yapılan literatür araştırmaları neticesinde, karbon destekli Metal-N-C (Metal= Fe veya Co) tipi katalizörlerin, katot tarafında gerçekleşen oksijen indirgenme reaksiyonu (ORR) için ticari Pt/C'ye göre özellikle kütle aktivitesi ve kullanım ömrü anlamında yer yer daha iyi veya muadil sonuçlar verdikleri görülmüştür. Bu çalışmada, düşük maliyetli ve yüksek performanslı Co-N/MWCNT tipi katalizörün geliştirilmesi ve alt çalışma olarak da mevcut platin tabanlı elektrokatalizörler için polybenzimidazole polimeri ile modifiye edilmiş karbon nanotüp destek malzemelerinin kullanımı incelenecektir. Çalışmalar sonucunda, Co-N/MWCNT katalizörün başarılı bir şekilde sentezlendiği ve istenilen morfolojik yapıda olduğu, XPS, ToF-SIMS, XRD, Raman ve TEM analizi ile gösterilmiştir. Testler sonucunda kobalt nano-parçacıklarının karbon-nanotüpler üzerinde düzenli biçimde dağınımı ve aktif piridinik Co-N4 bölgelerinin oluşumu gözlemlenmiştir. Piridinik-N oluşumu oksijen indirgenme reaksiyonu için daha fazla elektron yolu sağlarken aynı zamanda katalizörün stabilitesini de arttırmaktadır. Elektrokimyasal karakterizasyon, döner disk elektrot (RDE) metodu ile gerçekleştirilmiş olup bu test sonucunda da Co-N/MWCNT katalizörün, ticari muadillerine benzer sonuçlar vererek oksijen indirgenme reaksiyonları için kullanılabileceği gözlenmiştir. Yüksek sıcaklık PEM yakıt hücresi testi sonucunda, Co-N/MWCNT içeren hücrenin maksimum güç ve akım yoğunluğu değerleri, 150C ve 160C'de ticari muadilinden daha iyi çıkmıştır. Ancak literatüre göre bu katalizörlerin yüksek sıcaklıkta bazı stabilite sorunları yaşamaları mümkündür. Bu yüzden 170C ve üzerinde performansı gözle görülür biçimde düşmüştür. Yapılan deneyler sonucunda, bu katalizörlerin, Pt/C katalizörlere kısmi olarak alternatif olabilecekleri görülmüştür. Alt çalışmada ise, karbon-nanotüp destek malzemesinin polybenzimidazole (PBI) polimeri ile modifikasyonu ve Pt-PBI/MWCNT katalizörün mikrodalga yöntemi ile başarılı bir şekilde sentezlendiği TGA, XPS, XRD ve TEM analizleri ile gösterilmiştir. Dönüşümlü voltametri (CV) testi ile katalizörün elektrokimyasal aktif yüzey alanı 43 m2·g-1 olarak hesaplanmış, ticari muadili Pt/C ve Pt/MWCNT katalizör ile kıyas edildiğinde benzer veya nispeten daha düşük bir değere sahip olduğu belirlenmiştir. Düşük olmasının sebebi ise nanotüpleri saran PBI polimerinin hidrofobik özelliğe sahip olması ve bu yüzden elektrolit sıvının aktif yüzeylere temasının nispeten daha düşük olması gösterilebilir. Fakat 1000. Döngü sonunda, Pt-PBI/MWCNT katalizörün neredeyse ilk aktif yüzey alanının %80'ini koruduğu görülmüştür ve diğer katalizörlerden daha uzun ömürlü olduğu da belirlenmiştir. YS-PEM yakıt hücresi testi sonucunda ise Pt-PBI/MWCNT'den hazırlanan hücrenin, güç ve akım yoğunluğu değerlerinin ticari Pt/C katalizör içeren referanstan, tüm sıcaklıklarda daha düşük olduğu görülmüştür. Çalışmalar sonunda performans veya dayanıklılık arasında bir denge gözetilmesi gerektiği sonucu çıkmıştır.