The research for oxygen reduction reaction of the oxide catalysts used in fuel cells

Przedmiotem pracy zbadanie możliwości zastosowania spineli, jako katalizatorów reakcji redukcji tlenu (ORR) w tlenkowym ogniwie paliwowym. Przeprowadzono charakterystykę zsyntezowanego spinelu Co3O4 oraz spineli NiCo2O4 i ZnCo2O4. Określono strukturę spineli za pomocą spektroskopii Ramana, dzięki analizie pasm charakterystycznych dla badanych materiałów. Pomiar wielkości aglomeratów wykonano z użyciem dwóch metod: dynamicznego rozpraszania światła (DLS) i analizy śledzenia nanocząstek (NTA). Ponieważ otrzymane aglomeraty posiadały rozmiary 200-300 nm poddano je ucieraniu, co doprowadziło do prawie dwukrotnego zmniejszenia ich wielkości. Analiza XRD pozwoliła określić wielkość ziaren (15-20 nm), a także wykazała, że proces ucierania nie ma wpływu na ich zmniejszenie. Potwierdzeniem otrzymanych wielkości aglomeratów i ziaren były zdjęcia SEM i TEM. Ostatnim etapem było wykonanie badań elektrochemicznych spineli za pomocą metody wirującego dysku i wirującego dysku z pierścieniem. Dobrano odpowiednie parametry poprzez pomiary testowe, a następnie przeprowadzono pomiar na modelowym katalizatorze – nanocząstki platyny na węglu aktywnym. Wyniki pokazały, że katalizator ten umożliwia czteroelektronowy proces redukcji tlenu, co zostało wyznaczone w oparciu o równanie Levicha. W dalszym etapie wykonano analogiczne badania dla Co3O4, NiCo2O4 i ZnCo2O4, które nie były rozproszone na nośniku. Najbardziej aktywnym okazał się ZnCo2O4.

The subject of this thesis was to investigate spinels that could be used as the catalyst in the oxide fuel cell for the oxygen reduction reaction (ORR). Spinel structure was determined using Raman spectroscopy, by analyzing the characteristic bands for the tested materials. Measuring the size of the agglomerates was determined by using two methods: dynamic light scattering (DLS) and nanoparticle tracking analysis (NTA). Since the obtained agglomerates have sizes of 200-300 nm, they were subjected to grinding process which contributed to the reduction of the agglomerates size by half. X-ray powder diffraction measurements were performed to determine the grain size of spinels (15-20 nm) and the results showed that the grinding process does not lead to decrease in grains diameters. The obtained results of the agglomerates and grain size, were confirmed by the SEM and TEM images taken before and after grinding. The last part of this thesis was the electrochemical performance of spinel by using rotating disk and ring-disk electrodes method. The parameters were selected by test measurements. Thereafter, the measurement of the model catalyst, platinum dipesed on the active carbon, was conducted. The results showed that platinum allows four electron transfer, which was determined by using modified Koutecky-Levich equation. Respectively, analogous tests for not supported Co3O4, NiCo2O4 and ZnCo2O4 were performed. The ZnCo2O4 appeared to be the most active.