Platinum-free Electrocatalysts: Design, Synthesis, and Energy Applications
2023 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
Pt is one of the most commonly used catalysts for green energy applications, such as fuel cells, electrolyzers, and dye-sensitized solar cells. Although enormous effort has been put into improving the catalytic activity and minimizing the usage of Pt in the catalysts, the low abundance and high price of Pt still limit the large-scale commercialization of green energy devices and facilities. Developing cost-effective and highly efficient Pt-free catalysts is urgent and imperative. γ-radiation induced synthesis approach is known for its mild reaction condition, good controllability, and upscaling production capability. In this thesis, Pt-free nanocatalysts of various types: monometallic (Ni, Ag nanoparticles), bimetallic (Ag-Ni core-shell and heterostructures, Pd-Ni nanoframe, Ni-Co alloys), metal oxides (MnOx, CeO2), and hybrids (Pd-CeO2, Ag-ionomer), are designed and fabricated using γ-radiation induced synthesis method. The structural, chemical and electrocatalytic properties of the obtained nanocatalysts are analyzed.
First, Ni nanoparticles (NPs) were synthesized. It was found that the freestanding Ni NPs are small (~3 nm) and tend to agglomerate to larger clusters (Paper I). Based on the results obtained for the Ni NPs, binary nanocatalysts Ni-Co, Ni-Ag, and Ni-Pd are produced. It has been shown for Ni-Co alloy nanoparticles that, by varying the Ni-to-Co ratio, one can tune their electrocatalytic performance for the oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER), and hydrogen evolution reaction (HER) (Paper IV). By introducing the less expensive noble metal Ag to the catalysts, bimetallic Ni-Ag NPs with different structures are fabricated: heterostructure (Ag-Ni) and core-shell (Ag@NiO). A comparative study of these two different nanocatalysts allowed us to separate the contributions of ligand and strain effects on the ORR activity of the Ni-Ag catalysts (Paper II). By mixing up the highly active but expensive metal, Pd, with a less expensive transition metal, Ni, Ni-Pd nanocatalysts with a framework (PdNi-NF) and nanochain (PdNi-NC) morphology are obtained. PdNi-NF nanocatalysts deposited on commercial carbon black exhibit superior ORR activity and durability due to their framework morphology and Pd-enriched surface layer (Paper III). Since poly(vinyl alcohol) (PVA) has often been used as a surfactant to control the size of nanoparticles in γ-radiation induced synthesis, it is found that residual PVA on the catalyst surface may inhibit its activity. Therefore, an anion-exchange ionomer is tried to be used as the surfactant, and it turns out to be a superior, efficient size regulator for the synthesis of Ag NPs. The mechanism of Ag particle size control was studied. The prepared Ag NPs covered by the ionomer are applied as model catalysts to investigate the kinetics of ORR (Paper VIII).
In addition to metal nanoparticles, metal oxides, including manganese oxide (MnOx) and Ceria (CeO2), have also been synthesized and investigated. Two types of MnOx with different compositions and morphologies were produced using reducing and oxidizing synthetic pathways. Thereafter, the ORR performance of the two types of MnOx nanostructures is compared (Paper V). In Paper VI, the nucleation and growth mechanism of CeO2 mesocrystals are investigated and proposed. Considering the results in Paper VI, the Pd-CeO2 nanocatalysts have been developed. First, the CeO2 mesocrystals were pretreated with ascorbic acid to create more Ce3+ defects on the surface. After that, using pretreated CeO2 as a substrate, the Pd is deposited with various sizes (single atom, cluster, and nanoparticle). A comparative study of different Pd/CeO2 catalysts reveals a relationship between size, metal-support interactions (MSI), and ORR activity (Paper VII).
Abstract [sv]
Platina är en av de mest använda katalysatorerna i gröna energikällor somexempelvis bränsleceller, elektrolysörer och grätzelsolcell. Stora ansträngningar har dock gjorts för att reducera mängden platina som används i dessa energikällor, på grund av dess sällsynthet och höga kostnad. Att utveckla platinafria katalysatorer som även är kostnadseffektiva och kraftfulla äridag mycket aktuellt. Gammastålningsinducerande syntes är känd för dessmilda reaktionsförhållnaden, är lätt att kontrollera samt så finns det utrymme för uppskalning av produktionskapaciteten. I denna avhandling designas och produceras följande typer av platinafria katalysatorer med hjälp av gammastålningsinducerande syntes: Monometalliska (Ni, Ag nanopartiklar), bimetalliska (Ag-Ni core-shell och heterostrukturer, Pd-Ni nanoram, Ni-Co legeringar), metalloxider (Manganocid, Ceriumdioxid) och hybrider (Pd-CeO2), Ag-jonomer. Sedan analyseras nanokatalysatorernas strukturella, kemiska samt elektrokatalytiska egenskaper.
Först syntetiseras nanopartiklarna. Det upptäcktes att fristående nickel-nanopartiklar är små (ca 3 nm) och brukar samla ihop sig i större kluster (Artikel I). Baserat på resultaten som sågs för nickel-nanopartiklarna, skapas binära nanokatalysatorer Ni-Co, Ni-Ag och Ni-Pd. Det visade sig att Ni-Co legeringens elektrokatalytiska prestationsförmåga för syrereduktionsreaktion, syreutvecklingsreaktion samt väteutvecklingsreaktion kan justeras genom att förhållandet mellan Ni och Co ändras (Artikel IV). Genom att lägga till silver, som är en billigare ädelmetall till katalysatorerna, tillverkas bimetalliska Ni-Ag nanopartiklar med olika strukturer: Heterostrukturen (Ag-Ni) och core-shell (Ag@NiO). En studie som jämförde dessa två nanokatalysatorer möjliggjorde det för oss att urskilja ligand- och deformationseffekt påverkan på Ni-Ag katalysatorerna (Artikel II). Genom att blanda den högreaktiva men den dyra metallen palladium med den billigare övergångsmetallen, Nickel, skapas Ni-Pd nanokatalysatorer med formerna nanoramen (PdNi-NF) och nanokedjan (PdNi-NC). PdNi-NF nanokatalysatorer som deponeras på kommersiellt kol uppvisar större syrereduktionsreaktionsförmåga och hållbarhet på grund av dess nätliknande struktur och Pd-berikade ytlager (Artikel III). Eftersom polyvinylalkohol (PVA) ofta har används som tensid för att begränsa storleken på nanopartiklarna under en gammastålningsinducerande syntes, är det möjligt att överflödigt PVA på katalysatorn kan hämma dess aktivitet. Därför gjordes försök där en anjonbytarjonomer användes som tensid och den visade sig en effektivare storleksreglerare för syntesen av silvernanopartiklar. Mekanismen för reglering av silverpartikelstrolek studerades. De färdiga silvernanopartiklarna som var täckta med jonomer användes som modellkatalysatorer för att granska syrereduktionsreaktionens kinetik (Artikel VIII).
Utöver metallnanopartiklarna, syntetiserades och granskades även metalloxiderna manganoxid (MnOx) samt ceria (CeO2). Två typer av manganoxid med olika sammansättning och morfologi tillverkades genom syntesmetoderna reduktion och oxidation. Därefter jämförs prestationsförmågan för syrereduktionsreaktionen för de två olika typerna av manganoxid (Artikel V). I Artikel VI undersöks och föreslås mekanismen för kärnbildning och tillväxt av ceria. Baserat på resultatet i Artikel VI, togs Pd-CeO2 nanokatalysatorer fram. Först förbehandlades CeO2 mesokristallerna med askorbinsyra för att skapa mer Ce3+ defekter på ytan. Sedan deponeras palladium i olika storlekar (atom, kluster och nanopartikel), genom att förbehandlad ceria används som substrat. En studie som jämför olika Pd/CeO2 katalysatorer visar på en relation mellan storlek, metall-stöd interaktioner (MSI) och aktivitetsnivån för syrereduktionsreaktion (Artikel VII).
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2023. , p. 81
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2023:3
Keywords [en]
Pt-free electrocatalysts; γ-radiation induced synthesis; size, morphology, structure, and composition of nanocatalysts; ORR; catalytic activity and durability; formation mechanism of catalyst materials in aqueous solutions.
National Category
Physical Chemistry
Research subject
Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-323553ISBN: 978-91-8040-474-7 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-323553DiVA, id: diva2:1733717
Public defence
2023-03-03, Kollegiesalen, Brinnelvägen 8, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research
Note
QC 2023-02-06
2023-02-062023-02-032023-02-06Bibliographically approved
List of papers