Title
Elektrokatalizatori na bazi Mn2O3, TiO2 i NiO sa deponovanim Ni i Pt za redukciju i izdvajanje kiseonika
Creator
Mladenović, Dušan, 1992-
CONOR:
118711049
Copyright date
2024
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 10.06.2024.
Other responsibilities
Academic Expertise
Prirodno-matematičke nauke
Academic Title
-
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Fakultet za fizičku hemiju
Alternative title
Mn2O3, TiO2 and NiO based electrocatalysts with Ni and Pt for oxygen reduction and evolution reaction
Publisher
[D. D. Mladenović]
Format
IX, 111 str.
description
Fizička hemija - Fizička hemija materijala i Fizička hemija - elektrohemija / Physical Chemistry - Physical Chemistry of Materials and Physical Chemistry - Electrochemistry
Abstract (sr)
Konstantan porast potreba čovečanstva za energijom doveo je do pojačane potrošnje fosilnih
goriva koja će po nekim proračunima biti potpuno potrošena do 2050. godine. Sa druge strane,
povećana potrošnja fosilnih goriva dovodi do emisije niza štetnih jedinjenja u atmosferu što pak
drastično narušava kvalitet života ljudi i ostavlja ogromne posledice po živi svet. Zbog toga, naučnici
širom sveta ubrzano rade kako bi pronašli neki novi izvor energije koji bi bio obnovljiv i ekološki
prihvatljiv.
Jedna od alternativa fosilnim gorivim je tzv. „vodonična ekonomija“ koja se bazira na
korišćenju vodonika kao medijuma za skladištenje i transport energije. Po ovom modelu energija bi
se skladištila u obliku vodonika procesom elektrolize kada postoji dotok energije iz prirodnih
obnovljivih izvora kao što su solarna energija, energija vetra, vode i nuklearna energija, dok bi se u
trenucima nedostatka dotoka energije iz primarnog izvora uskladišteni vodonik konvertovao nazad u
električnu energiju u gorivnim ćelijama.
Gorivne ćelije su sistemi koji hemijsku energiju reaktanata pretvaraju u električnu energiju a
kao nusproizvod reakcije dobija se i voda. Ukoliko je u gorivnoj ćelije moguće odigravanje reakcije
u suprotnom smeru, tj. da se iz vode i uz utrošak električne energije proizvode reaktanti (vodonik i
kiseonik), onda se takva ćelija naziva objedinjena regenerativna gorivna ćelija. Glavni problem
prilikom dizajniranja i konstrukcije jedne ovakve ćelije predstavljaju kinetički spore reakcije
redukcije i izdvajanja kiseonika koje se odigravaju na fizički istoj elektrodi. Zbog toga je dizajniranje
i ispitivanje efikasnih bifunkcionalnih katalizatora koji bi se koristili za katalizu ovih reakcija od
ključnog značaja za širu implementaciju ovih sistema.
U okviru ove disertacije sintetisan je niz katalizatora koji za osnovu imaju okside prelaznih
metala Mn, Ni i Ti, i dekorisani su nanočesticama Pt i Ni, a koji bi se potencijalno upotrebljavali kao
bifunkcionalni katalizatori za katalizu kiseoničnih reakcija u regenerativnim gorivnim ćelijama. Na
početku su sintetisana tri oksida, Mn2O3, Mn2O3-TiO2 i Mn2O3-NiO koji su metodom mikrotalansog
ozračivanja dekorisani nanočesticama legure PtNi i testirani su u 0,1 M KOH. Od devet sintetisanih
katalizatora najbolje performanse pokazao je Mn2O3-NiO materijal dekorisan nanočesticama PtNi.
Ovaj katalizator pokazao je najveće vrednosti jd na 1800 rpm (-4,48 mA cm-2), najmanje vrednosti
parametra b od 62 i 109 mV dec-1, a Kutečki-Levič analizom zaključeno je da se na ovom katalizatoru
reakcija redukcije kiseonika odigrava kinetički povoljnijim četvoro-elektronskim mehanizmom. Sa
druge strane, u procesu izdvajanja kiseonika, ovaj katalizator je pokazao jednu od najmanjih vrednosti
nadnapona potrebnog za dostizanje gustine struje od 10 mA cm-2 što apostrofira njegovu potencijalnu
bifunkcionalnu primenu.
Kako bi se dalje unapredio PtNi/Mn2O3-NiO katalizator, oksidna osnova je sintetisana iznova,
delimično izmenjenom metodom, i dopirana je azotom u različitim odnosima kako bi se dobili
PtNi/Mn2O3-NiO-N katalizatori sa tri različita odnosa N:Mn2O3-NiO. Ispitivanjem drugog seta
sintetisanih katalizatora utvrđeno je da katalizator PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) pokazuje najbolje
performanse sa gustinom granične difuzione struje na 1800 rpm prilikom redukcije kiseonika od -
2,94 mA cm-2 i Tafelovim nagibom od 67 mV dec-1. Kutečki-Levič analizom utvrđeno je da se na
Doktorska disertacija Dušan Mladenović
ovom katalizatoru redukcija kiseonika takođe pretežno odvija kinetički povoljnijim četvoroelektronskim
mehanizmom redukcije sa brojem izmenjenih elektrona od 3,38. Prilikom ispitivanja
reakcije izdvajanja kiseonika nađeno je da PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) dostiže gustinu struje od 10 mA
cm-2 pri nadnaponu od 0,50 V dok je potencijal početka reakcije iznosio 1,61 V vs. RHE.
Katalizatori sintetisani i testirani u okviru ove doktorske disertacije pokazali su vrlo dobre
bifunkcionalne performanse u pogledu katalize ispitivanih reakcija koje su uporedive sa
komercijalnim katalizatorima Pt/C i IrO2 koji se smatraju trenutno najboljim katalizatorima reakcije
redukcije i izdvajanja kiseonika, respektivno. Pored dobrih katalitičkih performansi pokazali su
takođe i dobru stabilnost pri dugotrajnoj eksploataciji u realnoj regenerativnoj gorivnoj ćeliji
(simulirano tzv. svič testom), te je po mišljenu autora potencijal komercijalne primene sintetisanih
katalizatora izuzetno veliki. Dalja ispitivanja bi trebalo usmeriti ka daljoj optimizaciji sinteze i
pripreme katalitičkih mastila kao i ka dizajniranju realne regenerativne gorivne ćelije i ispitivanju
performansi katalizatora u njoj.
Abstract (en)
The constant increase in humanity's energy needs has led to increased consumption of fossil
fuels, which according to some calculations will be completely consumed by the year 2050. On the
other hand, the increased consumption of fossil fuels leads to the emission of a number of harmful
compounds into the atmosphere, which in turn drastically impairs the quality of life of people and
leaves enormous consequences for the living world. Therefore, scientists around the world are
working rapidly to find a new source of energy that would be renewable and environmentally friendly.
One of the alternatives to fossil fuels is the so-called "hydrogen economy" which is based on
the use of hydrogen as a medium for storing and transporting energy. According to this model, energy
would be stored in the form of hydrogen through the process of electrolysis when there is an inflow
of energy from natural renewable sources such as solar energy, wind energy, water energy and nuclear
energy, while in moments of lack of inflow of energy from the primary source, the stored hydrogen
would be converted back into electricity in fuel cells.
Fuel cells are systems that convert the chemical energy of reactants into electrical energy and
water. If in the fuel cell it is possible for the reaction to take place in the opposite direction, i.e., to
produce reactants (hydrogen and oxygen) from water and with the consumption of electricity, then
such a cell is called a unitized regenerative fuel cell. The main problem during the design and
construction of such a cell is the kinetically slow reactions of reduction and evolution of oxygen that
take place on the physically identical electrode. Therefore, the design and testing of efficient
bifunctional catalysts that would be used to catalyse these reactions is crucial for the wider
implementation of these systems.
Within this dissertation, a series of catalysts, based on transition metal oxides Mn, Ni and Ti,
decorated with Pt and Ni nanoparticles, were synthesized which could potentially be used as
bifunctional catalysts for the catalysis of oxygen reactions in regenerative fuel cells. At the beginning,
three oxides were synthesized, Mn2O3, Mn2O3-TiO2 and Mn2O3-NiO, which were decorated with
PtNi alloy nanoparticles by microwave irradiation and tested in 0.1 M KOH. Of the nine synthesized
catalysts, the Mn2O3-NiO material decorated with PtNi nanoparticles showed the best catalytic
performance. This catalyst showed the highest values of jd at 1800 rpm (-4.48 mA cm-2), the lowest
values of the parameter b of 62 and 109 mV dec-1, and the Koutecky-Levich analysis concluded that
the oxygen reduction reaction takes place on this catalyst by a kinetically more favourable fourelectron
mechanism. On the other hand, in the process of oxygen evolution, this catalyst showed one
of the lowest values of the overpotential required to reach a current density of 10 mA cm-2, which
apostrophizes its potential bifunctional application.
In order to further improve the PtNi/Mn2O3-NiO catalyst, the oxide base was synthesized again
by a partially modified method and doped with nitrogen in different ratios to obtain PtNi/Mn2O3-
NiO-N catalysts with three different N:Mn2O3-NiO ratios. By testing the second set of synthesized
catalysts, it was determined that the PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) catalyst shows the best performance
with a limiting diffusion current density at 1800 rpm during oxygen reduction of -2.94 mA cm-2 and
a Tafel slope of 67 mV dec-1. The Koutecky-Levich analysis determined that on this catalyst the reduction of oxygen also predominantly takes place by a kinetically more favourable four-electron
reduction mechanism with the number of exchanged electrons of 3.38. When examining the oxygen
evolution reaction, it was found that PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) reaches a current density of 10 mA
cm-2 at an overvoltage of 0.50 V, while the reaction onset potential was 1.61 V vs. RHE.
Catalysts synthesized and tested within this doctoral dissertation showed very good bifunctional
performance in terms of the catalysis of the investigated reactions, comparable to the commercial
catalysts Pt/C and IrO2, which are considered currently as the best catalysts for the oxygen reduction
and evolution reactions, respectively. In addition to good catalytic performance, they also showed
good stability during long-term exploitation in a real regenerative fuel cell (simulated by the so-called
switch test), so in the opinion of the author, the potential for commercial application of the synthesized
catalysts is very high. Further tests should be directed towards further optimization of the synthesis
and preparation of catalytic inks as well as towards designing a realistic regenerative fuel cell and
testing the performance of the catalyst in it.
Authors Key words
vodonična ekonomija; objedinjene regenerativne gorivne ćelije; reakcija redukcije
kiseonika; reakcija izdvajanja kiseonika; oksidi prelaznih metala
Authors Key words
hydrogen economy; unitized regenerative fuel cell; oxygen reduction reaction; oxygen
evolution reaction; transition metal oxides
Classification
544.473:546.30(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
Konstantan porast potreba čovečanstva za energijom doveo je do pojačane potrošnje fosilnih
goriva koja će po nekim proračunima biti potpuno potrošena do 2050. godine. Sa druge strane,
povećana potrošnja fosilnih goriva dovodi do emisije niza štetnih jedinjenja u atmosferu što pak
drastično narušava kvalitet života ljudi i ostavlja ogromne posledice po živi svet. Zbog toga, naučnici
širom sveta ubrzano rade kako bi pronašli neki novi izvor energije koji bi bio obnovljiv i ekološki
prihvatljiv.
Jedna od alternativa fosilnim gorivim je tzv. „vodonična ekonomija“ koja se bazira na
korišćenju vodonika kao medijuma za skladištenje i transport energije. Po ovom modelu energija bi
se skladištila u obliku vodonika procesom elektrolize kada postoji dotok energije iz prirodnih
obnovljivih izvora kao što su solarna energija, energija vetra, vode i nuklearna energija, dok bi se u
trenucima nedostatka dotoka energije iz primarnog izvora uskladišteni vodonik konvertovao nazad u
električnu energiju u gorivnim ćelijama.
Gorivne ćelije su sistemi koji hemijsku energiju reaktanata pretvaraju u električnu energiju a
kao nusproizvod reakcije dobija se i voda. Ukoliko je u gorivnoj ćelije moguće odigravanje reakcije
u suprotnom smeru, tj. da se iz vode i uz utrošak električne energije proizvode reaktanti (vodonik i
kiseonik), onda se takva ćelija naziva objedinjena regenerativna gorivna ćelija. Glavni problem
prilikom dizajniranja i konstrukcije jedne ovakve ćelije predstavljaju kinetički spore reakcije
redukcije i izdvajanja kiseonika koje se odigravaju na fizički istoj elektrodi. Zbog toga je dizajniranje
i ispitivanje efikasnih bifunkcionalnih katalizatora koji bi se koristili za katalizu ovih reakcija od
ključnog značaja za širu implementaciju ovih sistema.
U okviru ove disertacije sintetisan je niz katalizatora koji za osnovu imaju okside prelaznih
metala Mn, Ni i Ti, i dekorisani su nanočesticama Pt i Ni, a koji bi se potencijalno upotrebljavali kao
bifunkcionalni katalizatori za katalizu kiseoničnih reakcija u regenerativnim gorivnim ćelijama. Na
početku su sintetisana tri oksida, Mn2O3, Mn2O3-TiO2 i Mn2O3-NiO koji su metodom mikrotalansog
ozračivanja dekorisani nanočesticama legure PtNi i testirani su u 0,1 M KOH. Od devet sintetisanih
katalizatora najbolje performanse pokazao je Mn2O3-NiO materijal dekorisan nanočesticama PtNi.
Ovaj katalizator pokazao je najveće vrednosti jd na 1800 rpm (-4,48 mA cm-2), najmanje vrednosti
parametra b od 62 i 109 mV dec-1, a Kutečki-Levič analizom zaključeno je da se na ovom katalizatoru
reakcija redukcije kiseonika odigrava kinetički povoljnijim četvoro-elektronskim mehanizmom. Sa
druge strane, u procesu izdvajanja kiseonika, ovaj katalizator je pokazao jednu od najmanjih vrednosti
nadnapona potrebnog za dostizanje gustine struje od 10 mA cm-2 što apostrofira njegovu potencijalnu
bifunkcionalnu primenu.
Kako bi se dalje unapredio PtNi/Mn2O3-NiO katalizator, oksidna osnova je sintetisana iznova,
delimično izmenjenom metodom, i dopirana je azotom u različitim odnosima kako bi se dobili
PtNi/Mn2O3-NiO-N katalizatori sa tri različita odnosa N:Mn2O3-NiO. Ispitivanjem drugog seta
sintetisanih katalizatora utvrđeno je da katalizator PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) pokazuje najbolje
performanse sa gustinom granične difuzione struje na 1800 rpm prilikom redukcije kiseonika od -
2,94 mA cm-2 i Tafelovim nagibom od 67 mV dec-1. Kutečki-Levič analizom utvrđeno je da se na
Doktorska disertacija Dušan Mladenović
ovom katalizatoru redukcija kiseonika takođe pretežno odvija kinetički povoljnijim četvoroelektronskim
mehanizmom redukcije sa brojem izmenjenih elektrona od 3,38. Prilikom ispitivanja
reakcije izdvajanja kiseonika nađeno je da PtNi/Mn2O3-NiO-N (1:2) dostiže gustinu struje od 10 mA
cm-2 pri nadnaponu od 0,50 V dok je potencijal početka reakcije iznosio 1,61 V vs. RHE.
Katalizatori sintetisani i testirani u okviru ove doktorske disertacije pokazali su vrlo dobre
bifunkcionalne performanse u pogledu katalize ispitivanih reakcija koje su uporedive sa
komercijalnim katalizatorima Pt/C i IrO2 koji se smatraju trenutno najboljim katalizatorima reakcije
redukcije i izdvajanja kiseonika, respektivno. Pored dobrih katalitičkih performansi pokazali su
takođe i dobru stabilnost pri dugotrajnoj eksploataciji u realnoj regenerativnoj gorivnoj ćeliji
(simulirano tzv. svič testom), te je po mišljenu autora potencijal komercijalne primene sintetisanih
katalizatora izuzetno veliki. Dalja ispitivanja bi trebalo usmeriti ka daljoj optimizaciji sinteze i
pripreme katalitičkih mastila kao i ka dizajniranju realne regenerativne gorivne ćelije i ispitivanju
performansi katalizatora u njoj.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.
