非鉑系觸媒應用在鹼性燃料電池中氧氣還原反應之研究

Abstract

發展非鉑系觸媒催化氧氣還原反應之研究對於燃料電池普及化與便利化具有極重大的影響。本研究分為三個主軸進行，首先以不同Ru比例之鈣鈦礦氧化物(La0.6Ca0.4CoxRu1-xO3)做為氧的氧化與還原反應之雙效催化劑。另一方面，合成不同深寬比的棒狀奈米銀結構與不同碳厚度的立方體奈米銀(Ag@C)結構，分別探討其形狀對於催化氧氣還原反應之影響。 在鈣鈦礦氧化物觸媒部分，利用固態燒結法合成不同Ru比例之鈣鈦礦氧化物，經由XRD證實成功的將不同Ru比例參雜至La0.4Ca0.6CoO3鈣鈦礦氧化物中，其元素組成EDX分析結果亦與合成時比例相符。接著，利用充、放電極化曲線分析不同Ru比例的鈣鈦礦氧化物之催化活性，最後，量測長時間定電流充放電測試確認所合成的雙效觸媒有其實際應用的可行性。研究結果La0.6Ca0.4Co0.4Ru0.6O3觸媒在空氣燃料電池電極中，具有最佳雙效性氧化還原催化特性。 接下來，棒狀奈米銀觸媒部分，利用晶種合成法合成。由TEM結果確認藉由控制晶種體積成功的合成不同深寬比的奈米銀結構。經由電化學分析，深寬比越大之奈米銀結構對於催化氧氣還原反應具有較佳之效果，進一步利用旋轉電極分析氧氣還原反應的路徑，確認棒狀奈米銀結構催化氧氣還原之途徑為4電子反應路徑。 最後，立方體奈米銀觸媒部分則利用水熱法合成，藉由改變溫度與反應時間來合成高產率立方體奈米銀結構，經由TEM與SEM圖譜確認合成95%以上顆粒大小70 nm的立方體奈米銀，由XRD與HRTEM分析探討立方體奈米銀為單晶的FCC結構，其表面皆為{200}。此外，進一步利用兩段式升溫，調控合成出核殼狀與碳顆粒點綴於立方體奈米銀的結構。最後電化學分析中，以碳顆粒點綴於立方體奈米銀具有最佳催化效果。