Studium růstu nanočástic Ni@Pt pro využití v palivových článcích

Student: Hlaváček Jakub
Vedoucí: Ivan Khalakhan, Ph.D.
Konzultant: Prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc.
Stav práce: přerušená

Abstrakt:

Palivové články s polymerní membránou (proton exchange membrane fuel cells PEMFC) se vyznačují provozem při nízké teplotě a nízkou hmotností, a proto jsou vhodné především pro mobilní aplikace, jako jsou auta na vodíkový pohon a zdroje k mobilním elektronickým systémům. Srdcem PEMFC je katalyzátor, který rozkládá palivo na protony a elektrony (anoda). Na našem pracovišti systematicky pracujeme na vývoji nových typů katalyzátorů s nízkým obsahem vzácných kovů a vysokou aktivitou.

V současné době je výzkum podporován především Evropským projektem "Design of Thin-Film Nanocatalysts for On-Chip Fuel Cell Technology" a projektem GAČR. Pro testování článků je naše pracoviště vybaveno špičkovými testovacími stanicemi s dálkovým ovládáním, které jsou v ČR unikátní.

V posledních letech bylo publikováno několik článků v prestižních časopisech [1-3] ukazujících na možnost přípravy nanočástic Pt a M@Pt, kde M značí kovový dopant, které se vyznačují silně strukturovanými povrchy tvořenými vysokoindexovými rovinami s vysokou reaktivitu. Tyto částice jsou připravovány elektrochemickou depozicí a na jejich tvarování se podílí procesy depozice atomů z elektrolytu a současné vymývání iontů z některých částí povrchu. Spekuluje se o tom, že stability termodynamicky obecně nevýhodných rovin je dosaženo zabudováváním atomů M do povrchové struktury Pt.

Ve skupině povrchů jsme pozorovali pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu růst nanočástic (M@)Pt unikátních tvarů ve špičkovém zařízení elektrochemického mikroskopu atomárních sil (AFM) a následně navrhli metodu depozice částic na uhlíkové nosiče katalyzátorů pro palivové články.

V rámci práce bude řešitel pracovat na dalším vývoji metody elektrochemického růstu částic s cílem dosáhnout parametrů (hustota, velikost) umožňujících využití částic při přípravě katalyzátorů pro PEMFC. Pozornost bude věnována pochopení mechanizmu růstu a role atomů M ve strukturách M@Pt.

Obr.: Vývoj nanočástice od tvaru THH (tetrahexahedron) k dendritické podobě.

Cíle práce:
1) Depozice nanostrukturních slitin Pt-Ni o různé tloušťce a stechiometrii metodou magnetronového naprašování.
2) Depozice nanočástic Pt dopovaných Ni o různé velikosti a structure.
3) Studium vlivu obsahu iontů Nin+ v elektrolytu na tvar částic.
4) Studium katalytické aktivity vrstev na katodě palivového článku s polymerní membránou v závislosti na jejich složení a morfologii.
5) Vyhodnocení výsledků a rámci možností popis mechanizmu reakcí.

Literatura:
[1] Na Tian et al., Science, 316 (2007) 732.
[2] C Cui et al., Nature Materials, 12 (2013) j AUGUST 2013.
[3] C. Chen et al, Science Express, (2014) doi: 10.1126/science.1249061.
[4] PEM Fuel Cell Diagnostic Tool, edited by Haijiang Wang, CRC Press, 2012.
[5] Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Zhingang Qi, CRC Press 2013.