Kontakt
Skupina fyziky povrchů
Katedra fyziky povrchů a plazmatu MFF UK

V Holešovičkách 747/2
CZ-180 00 Praha 8 - Libeň
Tel.: +420-95155-2776
GALERIE

Malé věci často skrývají netušeně velké možnosti. To je fyzika nanosvěta.

Syntéza a měření funkčních prototypů

Jedním z témat, kterým se na našem pracovišti zabýváme, je vývoj katalyzátoru pro vodíkové články. S detaily se seznámíte na našich stránkách FC: princip a Test funkčních celků a prototypů, kde je také vysvětleno, proč je katalyzátor pro palivový článek stěžejní. Na uvedeném odkaze jsou vyčteny základní požadavky na katalyzátor pro palivový článek, které jsou:

  • Katalytické vlastnosti.
  • Stabilita a odolnost vůči CO.
  • Cena.

Zmíněné požadavky se dají obecně splnit následujícími způsoby. Nejúčinnější známý funkční katalyzátor je Pt, která je zároveň dostatečně stabilní. Za účelem navýšení odolnosti katalyzátoru vůči CO je platina obohacená o ruthenium. Protože platina i ruthenium jsou drahé kovy, lze cenu snížit snížením použitého množství drahých kovů, což v praxi znamená vytvoření velice tenkých a porézních vrstev.

SYNTEZA_Obr1.1_CZ.pngObrázek 1.1: Uhlíkový papír Alfa Aesar Toray Carbon Paper tefloned TGP-H-60. Snímek pořízen rastrovacím elektronovým mikroskopem [3].

Vysokou katalytickou aktivitu, odolnost vůči CO a stabilitu spolu s udržením co nejnižší ceny se momentálně na našem pracovišti snažíme dosáhnout s využitím Pt-CeO2 vrstev připravených magnetronovým naprašováním. Naprašováním se dají připravit vrstvy velice tenké. Navíc bylo ukázáno, že Pt je v těchto vrstvách v iontovém stavu [1], což jí může předurčovat k jiným (snad lepším) katalytickým vlastnostem. A dále, testování této katalytické vrsvy v palivovém článku ukázalo, že tato katalytická vrstva je daleko více aktivní ve srovnání s kovovou Pt [2].

SYNTEZA_Obr1.2_CZ.pngObrázek 1.2: Sedimentované MWCNT (Multi-Wall Carbon Nanotube) na GDL [3].

Není třeba připomínat, proč je tolik důležité, aby katalytická vrstva byla co nejporéznější. V prvním kroku lze zvýšit poréznost navýšením poréznosti substrátu katalytické vrstvy, kterým je nejčastěji uhlíkový papír tvořící difúzní vrstvu palivového článku (GDL z angl. Gas diffusion layer) (viz FC princip: obr. 1.2 a obr. 1.1 pořízený rastrovacím elektronovým mikroskopem Tescan MIRA-FESEM). Na obrázku 1.1 je dobře vidět, že mezi vlákny je spousta místa a styčná plocha mezi GDL s nanesenou katalytickou vrstvou a nafionem (FC princip: obr 1.2) je relativně malá. Styčná plocha resp. specifický povrch substrátu pro depozici katalytické vrstvy lze navýšit sedimentací uhlíkových nanotrubiček (CNT z angl. Carbon Nanotubes) na povrch GDL. Tento substrát je ukázán na obr. 1.2. [1,2,3,4]. Protože komerční CNT jsou neúměrně drahé (30 000 Kč/g), rozhodli jsme se připravit CNT metodou CVD rovnou na GDL (viz obr. 1.3 a [1,2]). Na obrázku 1.3d  je ukázán detail uhlíkových nanotrubiček s prášenou vrstvou Pt-CeO2 katalyzátoru [2]. Ze snímků na obrázku 1.3 (speciálně z výřezu d)) je snadno patrné, že naprášená vrstva je hodně porézní, což způsobí ještě větší navýšení specifického povrchu.

Bylo prokázáno, že Pt-CeO2 roste porézně i na jiném typu uhlíku než je CNT např. glassy carbon nebo uhlíkový prášek [5]. S největší pravděpodobností je porézní struktura Pt-CeO2 efektem magnetronového naprašování. Detaily jsou právě studovány.

SYNTEZA_Obr1.3_CZ.pngObrázek 1.3: Snímky uhlíkových nanotrubiček narostlých přímo na GDL metodou CVD pro různá zvětšení (a,b,c). Na obrázku (d) je ukázána uhlíková nanotrubička s naprášenou vrstvou Pt-CeO2[3].

 

Reference:

  1. Matolin, V; Matolinova, I; Vaclavu, M; Khalakhan, I; Vorokhta, M; Fiala, R; Pis, I; Sofer, Z; Poltierova-Vejpravova, J; Mori, T; Potin, V; Yoshikawa, H; Ueda, S; Kobayashi, K
    Platinum-Doped CeO2 Thin Film Catalysts Prepared by Magnetron Sputtering
    Langmuir , 26 (15): 12824–12831, 2010.
  2. Fiala, R; Khalakhan, I; Matolinova, I; Vaclavu, M; Vorokhta, M; Sofer, Z; Huber, S; Potin, V; Matolin, V
    Pt-CeO2 Coating of Carbon Nanotubes Grown on Anode Gas Diffusion Layer of the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
    J. Nanosci. Nanotechnol. , 11 (6): 5062–5067, 2011.
  3. Fiala R.: Diplomová práce: „Studium nových anodových materiálů pro metanolové polymerní palivové články“, MFF, KFPP, 2010.
  4. Matolin, V; Fiala, R; Khalakhan, I; Lavkova, J; Vaclavu, M; Vorokhta, M
    Nanoporous Ptn+–CeOx catalyst films grown on carbon substrates
    Int. J. Nanotechnol. , 9 (8/9): 680–694, 2012.

 

Tento text včetně vytvořené grafiky je přebírán z následující práce nebo byl napsán autorem v průběhu studia: FIALA, Roman. Studium nových katalyzátorů pro palivové články s polymerní membránou. Praha, 2017. Disertační práce. Universita Karlova. Matematicko-fyzikální fakulta.