Transcript Wpływ temperatury na elektrosorpcję wodoru w stopach Pd-Rh

Wpływ temperatury na
elektrosorpcję wodoru w stopach
Pd-Rh
Justyna Rydzewska
Pracownia Elektrochemicznych Źródeł Energii
Kierownik pracy: prof. dr hab. A. Czerwiński
Opiekun: dr M. Łukaszewski
Plan Prezentacji
Zastosowanie wodoru,
 Właściwości układu pallad-wodór,
 Stopy palladowe,
 Metodyka badań,
 Cele pracy magisterskiej.

Zastosowanie wodoru
Wodór to paliwo przyszłości, które będzie
wykorzystywane do akumulatorów
wodorowych, służących do
przechowywania, transportu oraz
wykorzystania wodoru jako nośnika
energii.
y
Zastosowanie wodoru
Zalety:
 łatwodostępność,
 nie powoduje
zanieczyszczeń
środowiska,
 odnawialność paliwa
wodorowego.
Wady:
 sposób odzyskania
energii,
 magazynowanie
wodoru.
novaspaceday.blox.pl/html/1310721,262146,21.h...
www.ogniwa-paliwowe.com/
Wodorki metaliczne
Magazynowanie wodoru w postaci wodorków metalicznych.
Charakteryzują się dużą gęstością objętościową absorbowanego w sposób
odwracalny wodoru.
Przykład: Ogniwo niklowo-wodorowe (Ni-MH)
Schemat procesów elektrochemicznych zachodzących podczas
rozładowania i ładowania ogniwa wodorkowego:
F. Feng, M. Geng, D. O. Noorthwood / International Journal of Hydrogen Energy, 26 (2001) 725
Ogniwo wodorowe
Zalety ogniwa:
Układ charakteryzuje się
znacznie wyższą
pojemnością
(60-80 Wh/kg) niż w
powszechnie do tej pory
stosowanych ogniwach
niklowo-kadmowych
(30-50 Wh/kg) czy
ołowiowo-kwasowych
(25-40 Wh/kg).
Wady ogniwa:
Znacznie większe
obniżenie sprawności
ogniwa w stosunku do
ogniwa niklowokadmowego w niższych
temperaturach.
Adsorpcja i absorpcja wodoru


Adsorpcja to proces powierzchniowy,
prowadzący do powstania atomowego wodoru
na powierzchni fazy stałej.
Absorpcja to proces polegający na
przechodzeniu wodoru do wnętrza fazy stałej.
Do tych dwóch zjawisk prowadzi
oddziaływanie wodoru z metalami i ich
stopami.
Mechanizm absorpcji wodoru
Zaadsorbowanie atomowego wodoru na powierzchni metalu bądź stopu.
Gazowy wodór ulega bezpośredniej adsorpcji na powierzchni metalu bądź stopu,
według następującego równania:
M + ½ H2 ↔ MHads
Wodór można również wytworzyć bezpośrednio na stopie drogą elektrolityczną:
- W środowisku kwaśnym:
M + H+ + ē ↔ MHads
- W środowisku zasadowym lub obojętnym:
M+H2O + ē ↔ MHads + OHZaadsorbowany wodór ulega absorpcji wnikając pod powierzchnię metalu:
MHads ↔ MHabs
Zaabsorbowane atomy wodoru dyfundują w głąb warstwy metalu bądź stopu
tworząc fazę a i b
Faza a i b


Faza a to idealny roztwór stały, w
którym zaabsorbowany wodór
zajmuje miejsca w lukach
międzywęzłowych sieci
krystalicznej macierzystego
metalu. Faza a charakteryzuje się
małym stosunkiem ilości wodoru
do metalu H/M (ok. 0,03)
Faza b tworzy się w wyniku
wzrostu stężenia wodoru, który
zajmuje coraz więcej przestrzeni
rozchodząc się w sieci
krystalicznej i tworzy wodorki.
Układ ten nie jest już układem
idealnym.
Elektrosorpcja wodoru w palladzie w zależności od
potencjału E
elektrody palladowej. Obszar I – faza a, obszar II –
współistniejące fazy
a i b, obszar III – faza b
ANDRZEJ CZERWIŃSKI, ZBIGNIEW ROGULSKI, JUSTYNA DŁUBAK, ANGELIKA
GUMKOWSKA, MAŁGORZATA KARWOWSKA
Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego, Warszawa; Uniwersytet
Warszawski
Układ pallad-wodór
Pallad łatwo absorbuje
wodór zarówno z fazy
gazowej jak i z
roztworów na drodze
reakcji
elektrochemicznej.
Wodór obsadza luki
oktaedryczne w
regularnej
płaskocentrowanej
sieci palladu.
Wizualizacja wodoru
www.ogniwa-paliwowe.com/
Podpowierzchniowa forma wodoru
Podpowierzchniowa forma wodoru odgrywa istotną
rolę zarówno w absorpcji i desorpcji wodoru.
Proces desorpcji przebiega według dwóch
niezależnych od siebie mechanizmów:
1. Elektrochemicznej reakcji utlenienia wodoru
zaadsorbowanego do jonów wodorowych.
2. Nieelektrochemicznej reakcji rekombinacji
atomów wodoru do wodoru cząsteczkowego
Zmiany stałej sieciowej palladu pod
wpływem absorpcji wodoru
Wartości stałych sieciowych:
 Czysty pallad – 3,890 Å
 Pallad w fazie a – 3,895 Å
 Pallad w fazie b – 4,025 Å (min. wartość)
Skutki wzrostu stałych sieciowych:
 Kruchość Pd
 Popękana powierzchnia Pd
Elektrody stopowe
Otrzymywanie elektrod stopowych:
 Objętościowe stapianie dwóch metali,
 Napylanie próżniowe,
 Podpotencjałowe osadzanie,
 Elektrochemiczne współosadzanie.
Elektrody o ograniczonej objętości
Są to cienkie warstwy Pd lub jego stopów (ok. 1 mm) nanoszone
elektrolitycznie na neutralne dla wodoru podłoże (złoto).
Zalety elektrody:
 Niweluje prądu w przypadku próbek o dużej objętości, które są o kilka
rzędów wielkości większe od prądów związanych z procesami
powierzchniowymi.
 Kontrolowana ilość osadzonego metalu pozwala ograniczyć ilość
absorbowanego wodoru, umożliwiając badanie właściwości elektrod o
określonej grubości.
 Mała grubość powłoki palladu bądź stopu pozwala na szybkie nasycenie
całej próbki oraz szybkie jego usuwanie, dzięki czemu możliwe jest badanie
absorbcji wodoru w pełnym zakresie potencjałów w tym obszarze, w którym
w przypadku grubszych warstw procesy sorpcji i desorpcji wodoru są
limitowane szybkością dyfuzji wodoru wewnątrz palladu.
Elektrody o ograniczonej objętości
Krzywe chronowoltamperometryczne
(0,02 V/s) zarejestrowane
w H2SO4 o stężeniu 0,5 mol/dm3: (a)
drut Pd o średnicy 1 mm, (b) elektroda
Pd o ograniczonej objętości o
grubości 1,2 mm
MARIUSZ ŁUKASZEWSKI, MICHAŁ GRDEŃ, ANDRZEJ CZERWIŃSKI
Uniwersytet Warszawski, Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego
Mościckiego, Warszawa
Prądy utleniania wodoru
Prądy utleniania wodoru
zaabsorbowanego przy różnych
potencjałach
w H2SO4 o stężeniu 0,5 mol/dm3
dla: (a) Pd oraz stopów: (b) 86%
Pd-14% Rh, (c) 81% Pd-6% Pt-13%
Rh
MARIUSZ ŁUKASZEWSKI, MICHAŁ GRDEŃ, ANDRZEJ CZERWIŃSKI
Uniwersytet Warszawski, Instytut Chemii Przemysłowej im. prof.
Ignacego Mościckiego, Warszawa
Metodyka badań
Badania będą prowadzone przy użyciu
chronowoltamperometrii cyklicznej oraz
chronoamperometrii.
Osadzanie warstwy palladu bądź Pd-Rh z kąpieli
zawierającej:
 ( PdCl2 w HCl )dla Pd,
 ( PdCl2,RhCl2 w HCl) dla Pd-Rh.
Warunki pomiarów
1.
2.
3.
4.
Układ 3-elektrodowy:
Elektroda pomocnicza – siatka Pt
Elektroda odniesienia – elektroda siarczanowa
Elektroda pracująca – elektroda złota z warstwą Pd oraz stopu Pd-Rh.
Elektrolit podstawowy – 0,5M H2SO4
Cele pracy magisterskiej
Wyznaczenie ilości zaabsorbowanego
wodoru w zależności od temperatury
 Wyznaczenie przedziału potencjałów dla
faz a i b
 Wyznaczenie współczynnika dyfuzji dla
różnych temperatur.

Dziękuję za uwagę