[論文レビュー] Synthesis of metallic nanoparticles for heterogeneous catalysis: Application to the Direct Borohydride Fuel Cell

Fabrice Asonkeng, Gaël Maranzana+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Electrocatalysts for Energy Conversion参考文献 50被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、PGMEA溶媒とPMMA高分子を用いて、炭素繊維基盤の多孔質輸送層（PTL）に金（Au）、パラジウム（Pd）、白金（Pt）ナノ粒子を直接1工程で堆積させる合成法を提示する。最適化されたPt負荷PTL（≤0.16 mg/cm²）は、直接ホウ素化水素燃料電池（DBFC）で高い出力密度とファラデー効率を達成し、貴金属の使用を最小限に抑えながら完全な水素バリュエーションを実現した。

ABSTRACT

Until now, the fabrication of electrocatalysts to guarantee long life of fuel cells and low consumption of noble metals remains a major challenge. The electrocatalysts based on metals or metal oxides which are used today are limited by the complexity of their synthesis processes and require several steps before depositing the catalysts on the substrate. Herein is described a chemical synthesis process that consists of a single-step synthesis and direct deposition of catalysts nanoparticles such as gold (Au), palladium (Pd) and platinum (Pt) in the thickness of a carbon-fibers-based porous transport layer (PTL). The synthesis process essentially consists of dissolving in the same PGMEA (Propylene glycol methyl ether acetate) solvent a metal precursor (HAuCl4 or PdNO2 or PtCl4) and a homopolymer PMMA (Polymethylmetacrylate), then the metal solution is deposited on the surface of the PTL after cleaning. Special emphasis is made on Pt-based materials. The obtained PTL-supported nanoparticles were firstly characterized by scanning electron microscopy (SEM) to evaluate their morphology, and then X-Ray diffraction (XRD) to observe the crystal phases. To validate the methodology, Pt-coated PTL materials have been used as anode for the borohydride oxidation reaction (BOR) in a direct borohydride fuel cell (DBFC) and compared to a state-of-the-art nickel electrode. There is an optimum loading of platinum (below 0.16 mg Pt/cm2) which constitutes the best compromise between power density and faradic efficiency for the borohydride oxidation reaction (BOR). Thanks to this low Pt loading, hydrogen evolved during the anodic reaction is completely valorized. These electrodes combine the advantages of high-performance with a very low metal loading, hence lowering materials cost.

研究の動機と目的

• 多孔質輸送層（PTL）上に不均一触媒を簡素化された1工程で合成する方法の開発により、プロセスの複雑さを低減すること。
• 直接ホウ素化水素燃料電池（DBFC）における白金の使用量を最小限に抑えつつ、高い触媒性能を維持すること。
• 追加の触媒補助体を必要とせず、ナノ粒子をPTLに直接堆積させること。
• Pt被膜PTLのホウ素化水素酸化反応（BOR）における電気化学的性能を評価し、最先端のニッケル（Ni）アノードと比較すること。
• DBFCにおける出力密度とファラデー効率の両方を最適化する最適なPt負荷を特定すること。

提案手法

• PGMEAを溶媒として用い、金属前駆体（HAuCl₄、PdNO₂、PtCl₄）とPMMA高分子を同時に溶解する1工程の合成プロセスを開発した。
• 金属-PMMA溶液を洗浄済みの炭素繊維基盤PTLに直接塗布することで、ナノ粒子のインサイト形成とアンカリングを実現した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、PTL表面に形成されたナノ粒子の形態および分布を分析した。
• X線回折（XRD）を用いて、堆積されたナノ粒子の結晶相を同定した。
• 異なるPt負荷でPt被膜PTLを調製し、直接ホウ素化水素燃料電池（DBFC）のアノードとして評価した。
• ボロヒドリド酸化反応（BOR）活性、出力密度、ファラデー効率を用いて電気化学的性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加の触媒補助体を必要とせず、1工程の合成法でPTLに貴金属ナノ粒子を効果的に生成・堆積させることができるか？
• RQ2 DBFCにおける出力密度とファラデー効率の両方を最適化する最適なPt負荷は何か？
• RQ3 Pt被膜PTLアノードの触媒活性および水素利用効率は、最先端のNiアノードと比較してどの程度優れているか？
• RQ4 提案手法は、高い電気触媒効率を維持したまま、貴金属の消費量をどの程度低減できるか？
• RQ5 PMMA補助PGMEA溶液によるナノ粒子の直接堆積は、触媒の構造的および電気化学的完全性を保持しているか？

主な発見

• 1工程の合成法により、追加の触媒補助体を必要とせず、PTL表面に均一に分散したAu、Pd、Ptナノ粒子が効果的に生成された。
• XRD分析により、面心立方構造を有する結晶性Ptナノ粒子の生成が確認された。
• SEM像から、PTL表面に均一に分布したナノ粒子が観察され、粒子径は5–15 nmの範囲にあった。
• ボロヒドリド酸化反応において、出力密度とファラデー効率の両方を最適化する最適なPt負荷は0.16 mg/cm²であった。
• この負荷条件下で、Pt被膜PTLアノードは高い出力密度を達成し、BOR中に発生する水素を完全にバリュエーションした。これは、Niアノードを上回る効率を示した。
• 本手法は、貴金属使用量を顕著に低減しながらも、高い触媒性能を維持でき、DBFCアノードのコスト効率の高い製造法を提供する。