Jedu odolné katalyzátory s vysokým výkonem pro aplikace v palivových článcích

• Název práce v češtině: Jedu odolné katalyzátory s vysokým výkonem pro aplikace v palivových článcích
• Název v anglickém jazyce: Durable poison-tolerant catalysts with high performance for fuel cell applications
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Vodíkové palivové články jsou účinným zdrojem energie bez uhlíkové stopy, které díky své všestrannosti je možné využít v mnoha aplikacích. Výkon palivových článků závisí na aktivitě katalyzátorů, složených obvykle z kovů skupiny platiny (PGM). Aby byla tato technologie komerčně životaschopná, mělo by se používání vzácných kovů podstatně snížit. Ačkoli současné katalyzátory s nízkým obsahem PGM vykazují slibný výkon, stále jsou náchylné k deaktivaci nebo otravě nečistotami, které jsou obvykle přítomny ve vodíku a vzduchu. Proto je pro výrobu vysoce spolehlivých palivových článků velmi důležité studium otravy katalyzátorů a vývoj materiálů odolných vůči otravě.
Tato práce bude zaměřena na studium mechanismu otravy na modelových katalyzátorech a na syntézu nanočástic katalyzátoru odolných proti otrávení. Modelové tenkovrstvé katalyzátory budou připraveny technikou magnetronového naprašování. Proces otravy bude na modelových katalyzátorech zkoumán fotoelektronovou spektroskopií ve vyšších tlacích (NAP XPS) a technikami rotační diskové a rotační kroužkové diskové elektrody (RDE / RRDE). Výsledky modelových studií nám umožní najít nejslibnější katalytický materiál, který bude syntetizován ve formě samonosných / nesených nanočástic. Hlubší pochopení mechanismu otravy na modelových systémech s různými strukturami bude zásadní pro návrh katalyzátoru, který pomůže odhalit nejlepší architekturu mezi slitinami, strukturami jádro-plášť a bimetalickými nanočásticemi. Nanočástice katalyzátoru budou připraveny chemickými metodami. Struktura a morfologie syntetizovaných nanočástic bude studována elektronovou mikroskopií SEM / TEM a fotoelektrickou spektroskopií (XPS). Aktivita a výkonnost katalyzátorů v přítomnosti otravných látek bude prováděna v elektrochemickém článku pomocí technik RDE / RRDE. Nakonec budou nanočástice katalyzátoru testovány v palivovém článku.
Hlavním cílem této práce je vytvoření vztahu mezi složením, strukturou a morfologií nanočástic katalyzátoru a jejich dlouhodobým výkonem v přítomnosti pro ně toxických druhů.

Seznam odborné literatury

1. O’Hayre, Ryan P., Suk-Won Cha, Whitney G. Colella, and F. B. Prinz. Fuel Cell Fundamentals. Third edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2016. ISNB 978-1-119-11415-4 978-1-119-11420-8.
2. Jiujun Zhang. PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers. Fundamentals and Applications. London: Springer-Verlag London Limited, 2008. ISBN 978-1-84800-935-6.
3. Marc Koper, Andrzej Wieckowski. Fuel Cell Catalysis: A Surface Science Approach. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2009. ISBN 978-0-470-13116-9

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Hydrogen fuel cells are an efficient source of carbon emission-free energy, which because of its versatility can be found in many applications. Performance of fuel cells relies on the activity of catalysts, typically based on platinum group metals (PGM). In order to make this technology commercially viable usage of the PGMs should be substantially decreased. Though present-day low PGM catalysts show a promising performance, they are still susceptible to deactivation or poisoning by impurities, which are normally present in hydrogen and air. This is why the study of catalyst poisoning and development of poison-tolerant materials is extremely important for the production of highly reliable fuel cells.
This work will be focused on the study of poisoning mechanism on model catalysts and synthesis of poison-tolerant catalyst nanoparticles. Model thin-film catalysts will be prepared by magnetron sputtering technique. The poisoning process on model catalysts will be investigated by near ambient pressure photoelectron spectroscopy (NAP XPS) and by rotating disk/rotating ring disk electrode (RDE/RRDE) techniques. Results of the model study allow us finding the most promising catalytic material which will be synthesized in form unsupported/supported nanoparticles. A deeper understanding of the poisoning mechanism on model systems with different structures will be crucial for the design of catalyst, revealing the best architecture among alloys, core-shell structures, and bimetallic nanoparticles. Catalyst nanoparticles will be prepared by chemical methods. Structure and morphology of synthesized nanoparticles will be studied by electron microscopy SEM/TEM and photoelectric spectroscopy (XPS). Activity and performance of the catalysts in the presence of poisoning species will be assessed in the electrochemical cell using RDE/RRDE techniques. Finally, catalyst nanoparticles will be tested in the fuel cell.
The main goal of this work is the establishment of the relationship between composition, structure, and morphology of catalyst nanoparticles and their long-term performance in the presence of poisoning species.