微波輔助合成鈀奈米觸媒於氧化石墨烯以應用於質子交換膜燃料電池

Pulse Microwave Synthesis of Palladium Catalysts on Graphene Electrodes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

古濬綸(Jun-Lun Gu)

指導教授 ： 謝建德

元智大學/工程學院/化學工程與材料科學學系/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6838/YZU.2013.00140

摘要

本研究以脈衝微波法(Microwave-assisted polyol，MP)在不同的pH值下製備鈀奈米觸媒於二維碳材石墨烯層(GNs)上。在pH=9時，利用此方法可在很短時間內(10分鐘)於微波照射下可得到高結晶性的鈀奈米觸媒(Pd@GN)。Pd@GN觸媒電極的電催化活性和穩定性，在不同的pH值下，採用循環伏安法(CV)，電化學阻抗譜(EIS)和單電池測試(30-75oC)研究其電化學活性表面積和Pd@GN觸媒的表面利用率，而在pH= 9其活性表面積和表面利用率可以達到較佳值分別為72.2 m2 g-1和94.7%。催化活性的改善可以歸因於鈀奈米觸媒在適當的pH值下均勻的分散到GNs表面，GNs也對於Pd的分散性、離子的擴散和電荷轉移都扮演重要的角色，同時經由單電池測試Pd@GN電極在pH=9和75oC時，最大功率密度可以達到1.75 kW g-1。以上述歸納來說，脈衝微波法提供了一個具有潛力的方式來製備高性能的觸媒以應用於電極與燃料電池上。

關鍵字

鈀催化觸媒 ； 石墨烯薄片 ； 脈衝微波合成法 ； 質子交換膜燃料電池 ； 電化學表面積

並列摘要

Nanotructured palladium (Pd) dispersed on graphene nanosheets (GNs) has been fabricated using a pulse microwave-assisted polyol (MP) synthesis approach at different pH values of 7, 9, and 11. The highly-crystalline Pd at pH = 9 can be obtained at a short time of 10 min under a pulse microwave irradiation. The electrocatalytic activity and stability of Pd@GN catalyst electrodes at different pH values are well examined using cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and single-cell test at 30-75°C. The electrochemically active surface area and surface utilization of Pd@GN catalyst at pH = 9 can be attained as high as 72.2 m2 g-1 and 94.7%, respectively. This improved catalytic activity is attributed to good dispersibility of the Pd nanocatalysts onto the surface of GNs, which render multiple roles for the dispersion of Pd clusters, ionic diffusion, and charge transfer. The single cell equipped with the Pd@GN catalysts exhibits a maximal power density of 1.75 kW g-1 at 75°C. Accordingly, this MP approach offers a potential way to develop high-performance catalyst electrodes for fuel cell applications.

並列關鍵字

Palladium catalysts ； Graphene nanosheets ； Microwave synthesis ； Proton exchange membrane fuel cell ； Electrochemical surface area

參考文獻

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