Оптимизация PdAu/VGCNF анодного катализатора для повышения производительности глицеринового топливного элемента

Аннотация

Это исследование вводит новый анодный PdAu/VGCNF катализатор, предназначенный для улучшения электроокисления глицерина в щелочных топливных элементах. Систематически варьируя загрузку катализатора, температуру электролита и концентрацию NaOH, оптимальное рабочее окно идентифицировали с использованием методологии ответной поверхности (RSM). При самых благоприятных условиях — 5,24 М NaOH, 60 °C и 12 масс.% загрузки катализатора — катализатор достиг пиковой плотности тока 158,34 мА см⁻², демонстрируя свою перспективу для практических топливно-элементных применений.

Введение

Глобальные энергетические потребности толкают пределы ископаемого топлива, стимулируя переход к более чистым альтернативам. Топливные элементы, преобразующие химическую энергию напрямую в электричество, предлагают убедительное решение, но традиционно полагаются на водород — энергоноситель, который трудно хранить и транспортировать. Глицерин, низкотоксичный побочный продукт производства биодизеля, представляет привлекательное жидкое топливо для щелочных топливных элементов благодаря своей высокой энергетической плотности и обильному запасу.

Сложная структура глицерина приводит к множественным окислительным промежуточным продуктам, делая выбор катализатора и реакционные условия критическими. Биметаллические наночастицы PdAu на парово-выращенных углеродных нановолокнах (VGCNF) сочетают высокую каталитическую активность с отличной дисперсией и стабильностью. Высокая удельная поверхность VGCNF (10–200 м² г⁻¹) и ребристая решетка обеспечивают надежную платформу для металл-носитель взаимодействий, смягчающие агломерацию наночастиц и усиливающие электро каталитическую производительность.

Предыдущая работа показала, что более высокие температуры и концентрации NaOH обычно ускоряют окисление глицерина, но оптимальная комбинация этих переменных остается неясной для PdAu/VGCNF. Это исследование применяет RSM для идентификации точных условий, максимизирующих плотность тока при минимизации загрузки катализатора.

Экспериментальная часть

Материалы и реактивы

Хлорид золота(III) тригидрат, хлорид палладия, тринатрийцитрат, гидронатрийборатид, VGCNF, гидроксид натрия, глицерин, 2-пропанол и 5 масс.% раствор Нафион приобрели у Sigma-Aldrich.

Приборы

Рентгеновская дифракция (Bruker D8 Advance), полевой-эмиссионная сканирующая электронная микроскопия (Gemini SEM 500), энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия и проходная электронная микроскопия (Philips CM12) применяли для оценки кристаллической структуры, морфологии и элементного состава.

Синтез катализатора

PdAu сплав готовили ко-редукцией PdCl₂ и HAuCl₄·3H₂O (1:1 молярное соотношение) в присутствии тринатрийцитрата, следом импреgnaцией на VGCNF. Гидронатрийборатид (5–15 × молярное соотношение к металл-ионам) служил восстанавливающим агентом. Загрузки катализатора варьировали от 10 до 30 масс.%. Итоговый продукт сушили при 80 °C в течение 10 ч.

Циклическая вольтамметрия тесты

Электрохимические измерения проводили на стеклянно-углеродном электроде (активная площадь 3 мм²) с использованием Autolab PGSTAT101. Катализаторная чернила (5 мг катализатора в воде/IPA/Нафион) наносили и сушили. CV сканирования выполняли от –0,8 до 0,4 В при 50 мВ с⁻¹ в 0,5 М глицерин/0,5 М NaOH, с концентрациями электролита NaOH (0,5–6,0 М) и температурами (25–80 °C) систематически варьирующимися. Все растворы дегазировали N₂.

Экспериментальный дизайн

Центральный композитный дизайн (CCD), состоящий из 20 запусков (факториальные, осевые и центральные точки), оценивал эффекты концентрации NaOH, температуры и загрузки катализатора на пиковую плотность тока. Вторая-порядковая полиномиальная регрессия подгоняли к данным для генерации предсказательной модели.

Результаты и обсуждение

Физическая характеристика

XRD подтвердил формирование высокосплавленных PdAu наночастиц (fcc структура) с размером кристаллита 4,5 нм. SEM изображения раскрыли умеренную агломерацию, в то время как EDX маппинг показал Pd:Au отношение близкое к загрузочному (≈55:44). TEM изображения продемонстрировали равномерную дисперсию PdAu частиц на VGCNF, с распределением размеров 2,5–9,5 нм (среднее 4,5 ± 1,0 нм).

Оптимизационное исследование

Квадратичная RSM модель дала R² 0,986 и высоко значимое p-значение (<0,0001), указывая на отличную подгонность. ANOVA раскрыл, что все три фактора — концентрация NaOH, температура и загрузка катализатора — были статистически значимы. Модель предсказала максимальную пиковую плотность тока 158,34 мА см⁻² при 5,24 М NaOH, 60 °C и 12 масс.% загрузки.

Влияние рабочих параметров

Контурные графики иллюстрировали, что пиковая плотность тока увеличивается с концентрацией NaOH и температурой до оптимума, после чего снижается из-за покрытия поверхности катализатора и массопереносных ограничений. Загрузка катализатора демонстрировала похожий тренд: плотность тока росла до ~12–15 масс.% и затем падала, так как избыточный металл блокировал активные места.

Подтверждающие тесты

Два валидационных запуска выполняли под предсказанными оптимальными условиями и при низкосточных экстремумах (0,5 М NaOH, 45 °C). Экспериментальные плотности тока (158,34 мА см⁻² и 143,94 мА см⁻²) близко совпали с предсказаниями модели, подтверждая надежность RSM подхода.

Заключение

RSM с центральным композитным дизайном эффективно оптимизировал PdAu/VGCNF анодный катализатор для глицериновых топливных элементов. Оптимальные условия — 5,24 М NaOH, 60 °C, 12 масс.% загрузки — дали пиковую плотность тока 158,34 мА см⁻², представляя >40% улучшение над неоптимизированными запусками и значительное снижение загрузки катализатора по сравнению с литературными бенчмарками. Эти выводы демонстрируют, что PdAu/VGCNF является высокоэффективным, низкозатратным анодным катализатором для щелочных глицериновых топливных элементов.