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Main Title: Struktur, elektrokatalytische Aktivität und elektrochemische Stabilität von bimetallischen Pt-Ni Nanopartikeln für die Sauerstoffreduktionsreaktion und Wasserstoffevolutionsreaktion
Translated Title: Structure, electrocatalytic activity and electrochemical stability of bimetallic Pt-Ni nanoparticles for the oxygen reduction reaction and hydrogen evolution reaction
Author(s): Rudi, Stefan
Advisor(s): Strasser, Peter
Referee(s): Strasser, Peter
Roth, Christina
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit der Synthese, den strukturellen Untersuchungen und der elektrokatalytischen Aktivität und Stabilität von neuartigen bimetallischen Pt-Ni Nanopartikeln für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und Wasserstoffevolutionsreaktion (HER). Nach der Synthese monodisperser nanostrukturierter Pt-Ni Legierungen, insbesondere PtNi3, und der Charakterisierung der innovativen Katalysatormaterialien mittels eines umfangreichen Spektrums an Analysetechniken wie Röntgendiffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), optischer Emissionsspektroskopie (ICP OES) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) wurde die katalytische Aktivität und Stabilität der optimierten Katalysatoren mit Hilfe von elektrochemischen Messungen mit einer Rotationsscheibenelektrode (RDE) bestimmt. Zur empirischen Optimierung der Katalysatorzusammensetzung wurde eine Messreihe bimetallischer Nanopartikel PtxNi100-x (x = 14 - 100) synthetisiert und auf ihre katalytische ORR Aktivität untersucht. Für das beste Katalysatormaterial wurde der Einfluss der thermischen Nachbehandlung (Temperaturobergrenze, Gasatmosphäre, Haltezeit) auf das Partikelwachstum sowie auf die katalytische Aktivität und Stabilität ausgehend aus dem PtNi3 Präkursor ermittelt und zusätzlich der Partikelgrößeneffekt der Pt-Ni Nanopartikel in Abhängigkeit der ORR Aktivität näher untersucht. Pt und PtNi3 Katalysatoren wurden in sauren und alkalischen Elektrolyten für die ORR und HER untersucht. Die Oberflächenstruktur des PtNi3 Katalysators wurde durch die Vorbehandlung und die Wahl des Elektrolyten so modifiziert, dass die Oberflächenstruktur und die Oberflächenzusammensetzung von Vorbehandlungsprotokollen abhängig waren. Die katalytische Effekte und die pH-Abhängigkeit wurden für die HER aufgedeckt. Die vielversprechendsten Pt-Ni ORR Nanokatalysatoren wurden zusätzlich auf den Einfluss ihres Entlegierungsverhaltens auf die Oberflächenrauigkeit der Partikel, die katalytische ORR Aktivität und das Ni Gehalt im Partikel untersucht sowie eine vergleichende Studie über die Bestimmung der elektrochemisch aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA) durchgeführt. Dazu wurde die Abhängigkeit der Oxidationsladung von atomar unterpotentialabgeschiedenem Wasserstoffs (Hupd) sowie adsorbiertem CO von unterschiedlichen elektrochemischen festgestellt. Zusammenfassend liefert diese Doktorarbeit wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung innovativer, stabiler Pt-Ni Katalysatoren als Kathodenmaterial für die ORR und HER, die sowohl in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC) als auch alkalischen Brennstoffzellen (AFC) einsetzbar sind.
The present PhD thesis attends to the structure, structural characterization and electrocatalytic activity and stability of novel bimetallic Pt-Ni nanoparticles for the oxygen reduction reaction (ORR) and hydrogen evolution reaction (HER). After synthesis of monodisperse nanostructured Pt-Ni catalytic material, especially PtNi3, and catalyst characterization with different analytic techniques such as X-Ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), optical emission spectroscopy (ICP OES) and energy dispersive X-Ray spectroscopy (EDX). The catalyst were measured with rotating disc electrode technique (RDE) and evaluated for the catalytic activity and stability. For optimal empirical catalyst composition the broad band of different catalyst compositions PtxNi100-x (x = 14 - 100) was synthesized and tested for the ORR activity. For the best catalytic material the effects of thermal treatment (variation of upper temperature limit, gas atmosphere and time) were studied. Thereby, the link between the catalyst treatment and the particle growth, catalytic activity and stability was established. Especially, the particle size effect of nanostructured Pt-Ni catalysts on catalytic ORR activity was investigated. Pt and PtNi3 catalysts were studied in acidic and alkaline electrolytes for the HER and ORR. The near-surface and surface structure of PtNi3 was systematically modified by variation of electrolyte and electrochemical treatment to correlate the influence of surface structure and pH with catalytic activity and stability during ORR and HER. Furthermore, dealloying of novel Pt-Ni catalysts at constant electrode potential or by using cyclic voltammetry as well as a comparative study of atomic underpotential deposited hydrogen and CO-Stripping were conducted, leading to the discovery of the negative effect of CO-Stripping on Pt-Ni catalysts. In summary, this work provides useful insights for future investigations of innovative, stable Pt-Ni cathode catalysts for the ORR and HER in polymer electrolyte membrane fuel cells and alkaline fuel cells.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-60500
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4601
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4304
Exam Date: 27-Nov-2014
Issue Date: 19-Dec-2014
Date Available: 19-Dec-2014
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Elektrokatalysatoren
Kern-Schale-Katalysatoren
Pt-Ni Nanopartikel
Sauerstoffreduktionsreaktion
Wasserstoffevolutionsreaktion
Core-shell-catalysts
Electrocatalysts
Hydrogen evolution reaction
Oxygen reduction reaction
Pt-Ni nanoparticles
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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