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Nano Functional Ceramic Lab.
指導教授：王聖璋 博士
報告人: 林恩賢
No.5
1
• 前言
• 實驗流程
• Preparation of anode electrocatalysts
• Preparation of electrodes for PEMWEs
• 結果與討論
• 結論
• 工作報告
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前言
電池種類
鹼性
(AFC)
磷酸型
(PAFC)
熔融碳酸鹽
(MOFC)
固態氧化物
(SOFC)
質子交換膜
(PEMFC)
直接甲醇
(DMFC)
電解質
KOH
H3PO4
LiCO3,K2CO3
ZrO2
固態高分子
固態高分子
陽極觸媒
Pt/C
Pt/C
Cr、Al/Ni
ZrO2/Ni
Pt、Ru/C
Pt、Ru/C
陰極觸媒
Metal/C
Pt/C
NiO
Sr/LaMnO4
Pt/C
Pt/C
操作溫度
~90˚C
180~220˚C
~650˚C
800~1000˚C
~90˚C
~130˚C
操作壓力
<60psi
<120psi
<120psi
常壓
<30psi
<75psi
反應物
高純度氫氣
混合氫氣
混合氫氣
混合氫氣
混合氫氣
甲醇
可用燃料
精煉氫氣
天然氣、甲
醇、輕油、
沼氣
天然氣、甲醇、 天然氣、甲醇、 天然氣、甲
石油、煤炭
石油、煤炭
醇、輕油
甲醇
特性
需高純度氫氣
低處沒性低溫
選擇材料容易
CO會導致中
毒
廢熱可被利
用
不受CO影響
反應時須循環
使用CO2
廢熱可利用
不需使用燃
料重組器
系統簡單
發電效率低
不受CO影響
反應不需特殊
觸媒作用
廢熱可利用
Table.1、各式燃料電池比較表。
功率密度高
體積小
重量輕
低腐蝕性、
低溫
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固態電解質
• 功能:傳導氫離子至陽極參與
反應，隔絕電極兩側之氣體流
通。
• 結構:固態且具多孔狀，孔內
含水，離子已擴散方式移動。
• 特性:具高度化學穩定性、親
水性、不導電、不透氣、可傳
遞氫離子與水分子。
Fig.1、Nafion®全氟磺酸質子交換
膜分子式。
高分子聚合物
http://www2.dupont.com
Fig.2、DuPont公司生產之Nafion交換
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膜。
• 質子交換膜燃料電池其主要組成元件為固態電解質、反應觸
媒、氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL)，電解質為全氟磺
酸型固態電解質，反應觸媒為Pt/C，傳統之氣體擴散層為疏
水性碳布目前常用之氣體擴散層為鈦網。
• 質子交換膜燃料電池其主要燃料為氫氣，空氣或氧氣為氧化
劑。
Fig.3、PEMFC單電池組裝示意圖。由內而外分別為膜電極組、墊
片、流場板、電極、底板。
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PEMFC
SPE-electrolyzer
Fig.4、單一化可再生式燃料電池(Unitized Regenerative
Fuel Cell, URFC)工作原理及反應化學式。
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• 鉑(Pt)目前常被應用於各式燃料電池，如AFC、PAFC、
PEMFC等…，因為Pt對於氫氣有良好的吸附能力，因此
是作為燃料電池之催化劑的選擇之一。其觸媒種類亦分
為陽極觸媒及陰極觸媒。下表為常見且適用於URFC之觸
媒。
Oxygen electrocatalysts
Hydrogen electrocatalysts
Pt–Ir
Pt/C
Pt–Ru–Ir
Pt-Ru/C
Pt–IrO2
Pt-Ru-HxWO3/C
Pt–IrO2–RuO2
Table.2、URFC常用觸媒。
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實驗流程-Preparation of anode electrocatalysts
RuO2 , IrO2 (A), Ru0.5Ir0.5O2
IrO2(C)
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Preparation of electrodes for PEMWEs
• Cathod loading: 3 mg/cm2
• Anode loading: 0.5 mg/cm2
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Physico-chemical and electrochemistry characterization
• The physical phase and structure of the oxides were probed using
X-ray diffraction (XRD) analysis.
• The BET method was used to evaluate the specific surface areas of
catalysts by the N2 absorption method.
• The information of activity was generally evaluated by the
voltammetric charge from CV voltammograms.
掃瞄速度:50mV/s
電位範圍:0~1.2V
參考電極:飽和甘汞電極
輔助電極:Pt plate
工作區域:2 mm in diameter
觸媒擔載量: 10mg/mm2
電解液:0.5M 硫酸
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結果與討論
• Ru0.5Ir0.5O2形成固溶
體。
• IrO2(A)與(C)比較，
(C)的結晶性較好。
• IrO2(A)與(C)平均晶
粒尺寸為5.5nm。
JCPDF
Number
晶系
空間群
晶體結構
IrO2
15-0870
Tetragonal
P42/mnm
Rutile
RuO2
40-1290
Tetragonal
P42/mnm
Rutile
11
• 1
12
• 各觸媒水電解曲線圖:
• IrO2(C)>…..>Ru
• 由水電解曲線圖可以
得知IrO2(C)在各組觸
媒中水電解效能為最
佳。
• 這也符合CV曲線圖以
及BET測試中，IrO2
相比其他組觸媒其穩
定性以及活性為最佳
。
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• 穩定性測試選用水電
解測試中最佳觸媒
IrO2(C)。
• 在定電流下，此組觸
媒的穩定性在持續20
小時操作下無衰弱現
象。
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• 依照實驗數據所得，IrO2做為PEMFC水電解器的觸媒具有
良好的電解效率以及穩定性，但其阻抗較高會造成多餘的
消耗。解決辦法有以下兩種:
• 1.搭配RuO2製備觸媒，添加惰性成分的材料如:Ta2O5…。
• 2.採用物理方式製備IrO2觸媒。
• More recently,Marshall et al.developed IrxRuyTazO2 as the
anode electrocatalysts for the PEMWE.
• The lowest cell voltage, of only 1.567V at 1Acm2,was
achieved with an anode electrocatalyst loading of 2 mg cm2.
• Slavcheva et al. deposited a thin film of IrO2 by magnetron
sputtering to form the anode electrocatalyst layer for
PEMWE .
• The best performance a cell potential of 1.55 V at 0.3 Acm2
was achieved using a 500 nm electrocatalyst layer containing
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an anode electrocatalyst loading of only 0.2 mg cm2.
結論
• Ru, Ir, RuO2 , IrO2 , and Ru0.5Ir0.5O2等觸媒的
電化學效能以及穩定性，可由循環伏安法得知。
• IrO2經由CV測試後為各組觸媒中最佳。
• 修改膠體製備過程中銥氫氧化物水合物的前驅物
，可以使用較低的熱處理溫度，且性能可進一步
提高。
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• 實驗流程
• Preparation of deposited Pt/IrO2 catalysts
• 結果與討論
• 結論
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Preparation of deposited Pt/IrO2 catalysts
Deposited Pt/IrO2
(SDBS)
• Mixture PtIrO2
Commercial Pt black 40wt% mix with IrO2
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結果與討論
(111)
(200)
(220)
(311)
Commercial Pt
39.90∘ 46.62∘ 76.68∘ 81.49∘
Home-made Pt
39.94∘ 46.64∘ 67.74∘ 81.50∘
Deposited
PrIrO2
40.02∘ 46.64∘ 67.85∘ 81.59∘
Crystalline Pt face-centered cubic (fcc) phase
Commercial Pt
Home-made Pt
Deposited PrIrO2
12.3 nm
12 nm
11.7 nm
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• A) Mixture PtIrO2
• B,C) Deposited PtIrO2
• D)Without SDBS PtIrO2
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Cyclic Voltammetry
• These results are probably related to
the weaker adsorption of H2 and O2
molecules on Pt surface of the
deposited Pt/IrO2 .
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Oxygen reduction reaction
• The possible up-shift of the
adsorption energy for O2 on Pt of
deposited Pt/IrO2 catalysts can result
in weak oxygen binding on the
electrode surface, in turn, lead to the
small coverage of O adatoms.
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Oxygen evolution reaction
• On the contrary, iridium oxide has
little ability for oxygen reduction but
excellent electrocatalytic activity for
oxygen evolution.
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Electrochemical impedance spectra (EIS)
• This impedance change may be associated with the difference
in surface adsorption and the related surface reaction like PtOH
formation near the opencircuit potential (ca. 0.87 V vs. NHE), as
demonstrated in cyclic voltammograms in Fig. 3.
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結論
• Addition of SDBS in the depositing bath leads to selective heterogeneous Pt
nucleation and growth on iridium oxide surface, and a nanostructural Pt/IrO2
composite with relatively uniform Pt dispersion and high Pt loading is
obtainable.
• Up-shift of the 2theta values of the deposited Pt/IrO2 catalyst in XRD pattern
implies an electronic connection and interaction between Pt and IrO2 .
• The deposited Pt/IrO2 presents slightly lower ORR electrocatalytic activity, but
apparently higher OER activity than the mixed Pt/IrO2 .
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工作報告
PtIrO2(IPA:DI Water=1:1)
Pt black
Ir
PtIrO2/Ti(IPA:DI Water=1:1)
IrO2
Pt
Ti
Ir
Ir
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•
•
•
•
•
•
•
•
測量儀器: PARSTAT 2263 電化學測試系統
掃瞄速度:20mV/s
電位範圍:-0.2~0.8V
參考電極:Ag/AgCl
輔助電極:Pt wire
工作區域:1cm2
觸媒擔載量: 5mg/cm2
電解液:0.5 M 硫酸
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PtIrO2
PtIrO2/Ti
IPA:DI Water=1:1
PtIrO2
IPA:DI Water=2:1
PtIrO2/Ti
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交流阻抗分析
RΩ
RΩ+Rct
PtIrO2
IPA:DI Water=1:1 ; Rct=0.77 ohms
IPA:DI Water=2:1 ; Rct=0.66 ohms
PtIrO2/Ti
IPA:DI Water=1:1 ; Rct=7.1 ohms
IPA:DI Water=2:1 ; Rct=3.8 ohms
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• 電源供應器固定電流為 30 A
，藉由改變電壓值觀測其電流
變化狀況，藉此判斷單電池水
電解效率。
• 水電解性能測試結果表明，隨
著IPA的比例增加水電解的電
壓效率也跟著增加，在電流密
度350m A/cm2時水電解電壓效
率差距約10%。
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未來工作
• 本人的研究目標為，變更前驅溶液中IPA與DI Water之比例，分
別1:1,2:1, 3:1,5:1，藉由更改IPA的使用量期望能增加觸媒活
性以及於水電解測試中能增加水電解效能。
• 1.完成後續比例的樣本以及測試。
• 2.論文閱讀。
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END
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