Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Microfluidic flow cells in the service of fuel cell electrocatalysis

Tildelt: kr 6,3 mill.

Elektrokjemiske systemer for energikonvertering vil være uunnværlige i utviklingen av et bærekraftig og karbonnøytralt samfunn med deres effektive konvertering av hydrogen og biobrensler til elektrisk energi. Flytende hydrokarboner som maursyre, metanol og glyserol innehar høy energitetthet og kan fødes direkte til anodesiden av en brenselcelle og kombineres elektrokjemisk med oksygen i luft på katodesiden. Selv om en komplett konvertering bare fører til en produksjon av karbondioksid, vann og elektrisk energi, så vil den komplekse naturen til de involverte elektrokjemiske reaksjonene kunne gi muligheten for tilstedeværelsen av flere overflatekomponenter og uønskede sidereaksjoner, som igjen kan gi stabile, delvis oksiderte, og løselige biprodukter. Dette reduserer virkningsgraden og utnyttelsesgraden av brenselet. Tilegning av grunnleggende kunnskap på molekylært nivå generelt, og nær de faktiske driftsbetingelsene for kommersiell enheter, er nødvendig for å kunne lage elektrokatalysatorer med de rette egenskapene og gjøre teknologien konkurransedyktig. Forbedrede mikrofabrikasjonsmetoder har gjort mikrofluidtekniske strømningsceller mer attraktive for elektrokjemiske formål. Prosjektet har utviklet en rutinepreget produksjonsmetode av mikrofluidiske elektrokjemiske strømningsceller med fleksibelt design. Cellene kan ha flere kanalelektroder av ulik geometri og varierende kanalstørrelse. Det unike med cellene utviklet i prosjektet er en sidekanal med en integrert palladiumhydrid referanseelektrode oppstrøms for elektrodene i hovedkanalen. Denne PdH elektroden er stabil over lengre tid, kan regenereres (fylles opp med hydrogen) etter behov, og tillater måling av høye strømmer uten for stor påvirkning av ohmske motstander. Vår kanadiske samarbeidspartner i prosjektet (UVIC) har vært sentral i utviklingen av et teoretisk rammeverk for karakterisering av elektrokjemiske reaksjoner på kanalelektroder. En semi-analytisk metode er utviklet for å simulere elektrodereaksjoner i kanalstrømning og kartlegge elektroaktive komponenter i kanalen. Elektrokjemisk impedansspekstroskopi for en enkel reaksjon er utført eksperimentelt og sammenlignet med beregnete impedansspektra i Comsol Multiphysics®. Sammenligningen ble brukt som standarder til validering av vanlige analytiske tilnærminger for massetransport impedans. Ett av prosjektets opprinnelige ambisjoner var å nyttiggjøre seg nedstrøms kanalelektroder for å detektere løselige, eller delvis løselige mellomprodukter som dannes i konvertering av metanol på en platina elektrode oppstrøms. Ulike måter for deteksjon ble forsøkt, og den beste deteksjonen av løselige mellomprodukter (maursyre) ble gjort ved raske potensialsteg på en nedstrøms Pd elektrode. Platina brukes vanligvis som katalysatormateriale i lavtemperatur brenselceller siden det tilbyr en stabil og aktiv overflate for oksidasjon av hydrogen og hydrokarbonbaserte brensler. Dessverre deaktiveres Pt lett av karbonholdige mellomprodukter som hindrer videre reaksjon (CO). På Pt elektroder så behøves et relativt høyt overpotensial for å binde til seg oksygenholdige spesier som kan fjerne disse bundne mellomproduktene og dermed øke oksidasjonsstrømmen ("startpotensial"). Å øke driftstemperaturen er en velkjent måte å kunne øke reaksjonskinetikken for dermed å senke overpotensialet for oksidasjonsreaksjoner. I dette prosjektet har vi utviklet en metode for å gjøre elektrokjemiske målinger i vandige systemer ved å bruke en selvregulerende autoklav. Konvertering av metanol og glyserol er studert på en tynn Pt wire i svovelsyreelektrolytt fra romtemperatur og opp til 140°C. Eksperimentelle strøm-spenningskurver viser at startpotensialene for oksidasjonsprosessene reduseres betydelig og mer enn det som indikeres av Pt oksid alene. For glyserol er endringen flere hundre millivolt, og det er klart at startpotensialet avhenger av den økte vannaktiviteten heller enn oksiddannelse ved overflaten av Pt med økt temperatur. I prosjektet har vi etablert en generell syntesemetode hvor man kan lage Ni-Pt nanopartikler med finkontroll av partikkelform, størrelse og sammensetning. Ambisjonene med katalysatorutviklingen er å kunne senke overpotensialet gjennom økt katalytisk aktivitet, forbedre levetiden gjennom økt katalystatorstabilitet og redusere forbruket av edelmetall. Omfattende potensialsykling viser en kontinuerlig degradering av katalysatoren, men med en overraskende liten endring i toppotensialet for CO monolagsstripping. Ni virker å ha en tendens til å lekke ut av strukturen, men samtidig etterlate seg en mer aktiv Pt-struktur for både CO oksidasjon og oksygenreduksjon (ORR). Aktiviteten i dette prosjektet har involvert utveksling av flere studenter, stipendiater og faste vitenskapelige fra NTNU til UVIC, og vært helt essensielt i blant annet etableringen av to nye samarbeidsprosjekter hvor både UVIC og NTNU er formelle deltakere.

Biomass-derived liquid fuels will play a key role in a future sustainable society that can no longer depend on non-renewable energy sources. Energy security and environmental concerns are the prime movers towards clean and efficient conversion technologie s based on renewable energy. Reducing the voltage loss resulting from introducing small organic molecules to the anode side of a PEM fuel cell, and simultaneously increasing the lifetime of the system are necessary for successful integration of the techno logy on a larger scale. The work proposed here is aimed at gaining new insight in the oxidation processes of small organic molecules (formic acid, methanol and ethanol) at model noble metal electrodes. To develop deeper understanding of the surface proce sses, techniques are required that quantify the reaction pathways at times scales that probe the kinetics. This project will employ microfluidic flow cells that offer a fast response time and couple with electrochemical and non-electrochemical methods tha t may prove useful to obtain important time-resolved kinetic data. Formation of soluble species, and their subsequent readsorption on or escape from the electrode during the oxidation processes must be correlated to surface and system properties. Advance d methods to analyse data collected with the microfluidic flow cell and affiliated techniques like dynamic impedance will be developed and used to maximize the utility of the data. Ultimately, a strong mix of analytical and kinetic methods will result in a detailed understanding of the reaction mechanisms for key liquid fuel reactions, and this will suggest ways to optimize the catalysis. Experiments at elevated temperatures based on the same selection of experimental methods will be pursued. The work wi thin this project is founded on a collaborative effort between the Department of Materials Science and Engineering at NTNU and the Department of Chemistry at the University of Victoria, Canada.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek