Catalyst electrode development from one-dimensional platinum silver-based alloy nanostructures for proton exchange membrane fuel cells

The primary research activity on proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is still directed to reduce the system cost by using a low Pt catalyst loading while maintaining high power performance and durability. The development of advanced catalyst designs usually focuses on shape-controlled nanostructures and alloying to form bimetallic or multimetallic compositions. They have been demonstrated as effective strategies to boost the catalyst activities toward the sluggish oxygen reduction reaction (ORR) at the cathodes in PEMFCs. However, most of the advanced catalyst nanostructures with the superior catalytic activities are limited to half-cell electrochemical measurement in liquid electrolytes, and there is a big challenge to fully transferring the performance to electrodes in operating fuel cells. Such a challenge motivates this PhD research to develop high power performance and durable catalyst electrodes from one-dimensional (1D) Pt-based alloy nanostructures for PEMFC application, advancing our previous achievements on 1D Pt nanostructure array gas diffusion electrodes (GDEs). The alloying of Pt with Ag is investigated to construct a cost-effective AgPt nanorod catalyst, based on the close lattice constant between Ag and Pt to minimise the atomic segregation and sustain catalyst stability. The influence mechanisms of the reaction process are systematically explored on the growth, crystal structure and morphology of 1D AgPt nanostructures considering their catalytic performance recorded in the membrane electrode assembly (MEA) test in single PEMFCs. Firstly, a scalable preparation method is established for growing AgPt NRs on carbon support utilising formic acid reduction approach. Ultrafine single-crystal AgPt NRs with an average diameter of 3-4 nm and length of ~15 nm are obtained by controlling the ion reduction process to induce the nucleation and growth of Pt and Ag along the direction. The optimal Ag1Pt1 NR/C catalyst shows 1.22 and 1.51-fold higher power density and mass activity, respectively than commercial Pt/C nanoparticles (NPs) as cathode catalysts in PEMFCs. After the accelerated degradation test (ADT), severe Ag redeposition is observed at the interface between the cathode and polymer electrolyte membrane. The introduction of Au is therefore proceeded to improve the stability of AgPt NR/C forming Au-AgPt NR/C. The integration of 5 at% Au effects the metal ion reduction procedure, leading to the formation of longer NRs of up to ~20 nm and a high ratio of Pt depositing on the surface. Consequently, these improvements bring about 7% increase in the electrochemical surface area (ECSA) of the catalyst, and 1.15- and 1.70-fold higher ORR activity compared to AgPt NR/C and Pt/C, respectively. The stabilisation effect of the Au alloying is evaluated in PEMFCs, and even better stability is demonstrated than Pt NR/C. The understanding and experience obtained from controlling the ion reduction process to grow AgPt NRs are transferred to fabricate GDE by growing AgPt NR arrays directly on GDLs. A different alloying mechanism between Ag and Pt is found for the NR growth on the GDL from that on the carbon support, ascribed to the inert GDL surface and moderate reaction temperature of 40 °C. The alloying turns less harmonised when the Ag content more than 10 at% as this leads to the formation of a Ag metal phase. Au is then introduced to construct Au-AgPt NR GDE, and its alloying effect is probed. It is found that the integration of Au plays a game-changing role in the NR structure, leading to self-rearrangement atomic deposition and improving Pt placement on the NR surface. The Au-AgPt NR GDE shows a higher peak power density of 0.61 W cm-2 than those of the Pt NR and Pt/C GDEs with ~20 wt% more of Pt loading and a less performance decline after the ADT

PELATIHAN GURU FISIKA 2014

Pelatihan Guru Fisika (PGF) merupakan acara rutin yang diadakan oleh Program Studi Fisika, Universitas Katolik Parahyangan sebagai wujud pengabdian para dosen untuk memberi pelatihan kepada para Guru Fisika Indonesia. Pelatihan Guru Fisika (PGF) 2014 memusatkan perhatian pada bidang termodinamika. PGF 2014 dilaksanakan selama 3 hari dan dibagi dalam 6 sesi yang terdiri dari 3 sesi materi tentang teori termodinamika (Hukum ke-0 , hukum pertama dan kedua Termodinamika), 2 sesi perakitan alat (membuat spectrophotometer sederhana dan stirling engine) dan 1 sesi diskusi yang merupakan sesi terakhir untuk mengulas keseluruhan acara PGF dari hari pertama sampai terakhir. Peserta PGF 2014 berjumlah 41 orang yang terdiri dari guru-guru SMP / SMA dan mahasiswa S1 / S2 yang berasal dari berbagai daerah di Indonesia (Sumatera, Jawa dan Bali). Dari angket yang kami bagikan, sebagian besar peserta merasa puas dengan adanya kegiatan PGF 2014 karena merasa terbantu untuk kegiatan pembelajaran mereka selanjutnya. Dari angket yang kami sebarkan, sekitar 80 % peserta mengajukan usulan untuk melaksanakan PGF yang akan datang dengan tema “Listrik & Magnet”. Secara keseluruhan acara PGF 2014 berjalan dengan lancar dan sukses. 

PENGAJARAN MATERI FISIKA MATERIAL UNTUK MAHASISWA FISIKA

Kerjasama yang baik antar disiplin ilmu menghasilkan perkembangan aplikasi material (baikorganik maupun anorganik material) dalam berbagai bidang seperti teknologi informasi,bioteknologi, dan yang termutakhir adalah nanoteknologi. Perkembangan ilmu material modernjuga telah melahirkan material-material fungsional yang disebut smart material (material cerdas)seperti sensing material (fiber optic dan biosensor), actuation material (liquid qrystal) danbiomaterial. Melalui kuisioner terhadap beberapa mahasiswa jurusan fisika, sebanyak 40%menyatakan sangat tertarik, 20% menyatakan tertarik dan 30% cukup tertarik dengan bidangilmu material, namun belum pernah ada kegiatan eksperimen selama perkuliahan sementarasebanyak 60% mahasiswa berpendapat bahwa kegiatan eksperimen sangat penting dan 40%mahasiswa berpendapat penting. Sebagai masukan pengembangan metode perkuliahan sebanyak70% mahasiswa mengusulkan adanya kegiatan eksperimen atau laboratorium, selebihnyamengusulkan metode perkuliahan yang atraktif, variasi pembelajaran dengan presentasi olehmahasiswa, dan simulasi dengan komputer. Berdasarkan pendapat dari mahasiswa danperkembangan ilmu pengetahuan terkini, telah disusun prioritas materi dalam satuan acaraperkuliahan dan pengembangan metode perkuliahan dengan memasukkan unsur kegiataneksperimen, seperti eksperimen sederhana dan simulasi.Kata kunci : fisika material, metode perkuliaha

PENGUJIAN KUANTITATIF KANDUNGAN LOGAM DALAM CAT DENGAN TEKNIK RADIOGRAFI SINAR X

Cat merupakan suatu bahan yang sering digunakan dalam kehidupan manusia sehari-hari. Meski demikian, cat banyak mengandung logam berat yang tidak bersahabat dengan manusia seperti timbal (Pb) dan merkuri (Hg). Dalam penelitian ini telah dilakukan pengujian kandungan logam dengan teknik radiografi sinar-x. Radiografi sinar-x bekerja berdasarkan penurunan intensitas sinar-x setelah melalui bahan yang dilewatinya. Dalam hal ini bila sampel cat yang digunakan mengandung lebih banyak kandungan logam, maka sampel tersebut akan menahan lebih banyak sinar-x, dimana perbandingan intensitas sinar-x yang diteruskan dan ditahan ditunjukkan dalam kontras citra radiografi.Citra radiografi yang dihasilkan melalui teknik ini telah menunjukkan perbedaan kecerahan / kontras dari masing-masing sampel cat. Hal ini menunjukkan adanya perbedaan konsentarsi nomor atom berat dalam masing-masing cat seperti timbal (Pb) dan merkuri (Hg). Pengujian menggunakan Spektroskopi Serapan Atom (SSA) menunjukkan tingginya kandungan Pb dan Hg dari sampel cat tersebut. Ada beberapa jenis cat yang mempunyai kandungan Pb jauh diatas ambang batas minimum yang ditetapkan oleh WHO yaitu 90 part per million (ppm). Walaupun kecerahan citra radiografi yang terhitung menggunakan densitometer tidak menunjukkan keselarasan dengan kadar Pb, namun dari beberapa sampel menunjukkan adanya keselarasan nilai kecerahan dengan kandungan Hg di dalam cat. Untuk itu analisa lebih lanjut perlu dilakukan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui logam berat lain yang terkandung di dalam cat sekaligus pengembangan software image processing menggunakan MATLAB yang akan dilakukan dalam penelitian selanjutnya.Kata kunci : radiografi, kandungan logam, timbal dalam cat

PENGAJARAN OPTIKA MODERN UNTUK MAHASISWA FISIKA

Ilmu optik terus mengalami perkembangan seiring dengan ditemukannya konsep kelajuancahaya yang konstan dan fisika kuantum. Awalnya pembelajaran optika terbatas dalamkonsep cermin, lensa, alat optik, namun kemudian berkembang sejak lahirnya fisikamodern hingga penemuan laser optik, disebut optika modern. Telah dilakukan penelitianterhadap mahasiswa fisika yang pernah dan sedang mengambil mata kuliah optikamodern mengenai minat dan masukan mereka terhadap perkuliahan optika modernmelalui kuisioner. Sebanyak 10% menyatakan sangat tertarik, 20% menyatakan tertarikdan 40% cukup tertarik dan 40% menyatakan tidak tertarik. Kurangnya minat mahasiswaterhadap perkuliahan optika modern ini mempengaruhi nilai rata-rata kelas yang kurangsetiap tahunnya padahal mata kuliah ini adalah mata kuliah wajib untuk mahasiswa Fisikapada tahun ke-3. Namun dalam kuisioner, beberapa mahasiswa memberi usulan tentangperkuliahan optika modern diantaranya menambahkan kegiatan eksperimen ataupunsimulasi dengan komputer. Sebanyak 90% mahasiswa mengusulkan adanya kegiataneksperimen atau laboratorium, selebihnya simulasi dengan komputer. Hal inimenunjukkan perlunya dilakukan pengembangan perkuliahan mengingat perkembanganilmu optik yang semakin pesat dan terkait dengan teknologi terkini. Berdasarkanpendapat dari mahasiswa dan perkembangan ilmu pengetahuan terkini, telah disusunprioritas materi dalam satuan acara perkuliahan dan pengembangan metode perkuliahandengan memasukkan unsur kegiatan eksperimen, seperti eksperimen sederhana dansimulasi.Kata kunci : optik, optika modern, metode perkuliaha

Au-Doped PtAg Nanorod Array Electrodes for Proton-Exchange Membrane Fuel Cells

One-dimensional Pt-based alloy nanostructures have been demonstrated as highly active and durable catalysts for an oxygen reduction reaction (ORR), which are the key to achieving the sustainability of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). However, the high difficulty in the fabrication of a practical catalyst electrode based on these nanostructures has limited their potential for PEMFC applications. In this work, we demonstrate a facile approach of Pt-alloy nanorod (NR) array gas diffusion electrodes (GDEs) through in situ growth on a carbon paper gas diffusion layer and Au doping utilizing a one-step wet chemical reduction method. The GDE is directly used as the cathode in PEMFCs. The excellent catalytic activity of the Au-doped PtAg NRs and the promoted mass transport characteristics of the array electrode structure enable an enhanced power density of 1.1-fold with an even 30 wt % less Pt loading, compared to the GDEs made of monometallic Pt NR arrays and commercial Pt/C. Density functional theory prediction reveals the increased ORR kinetics resulting from the weakening binding energy toward oxygen-containing species on the surface of Au-doped PtAg. The Au stabilizing effect to minimize the atomic segregation between Pt and Ag is also investigated theoretically and experimentally based on the accelerated degradation test under the fuel cell operating condition

Magnetically Active and Coated Gadolinium-Filled Carbon Nanotubes

Gd-filled carbon nanotubes (which include the so-called gadonanotubes(1)) have been attracting much interest due to their potential use in medical diagnostic applications. In the present work, a vacuum filling method was performed to confine gadolinium(III) iodide in carbon nanotubes (CNTs). Filling yields in excess of 50% were obtained. Cleaning and dosing of the external walls was undertaken, as well as the study of the filled CNT magnetic properties. Overall, we found that the encapsulating procedure can lead to reduction of the lanthanide metal and induce disorder in the initial GdI3-type structure. Notwithstanding, the magnetic response of the material is not compromised, retaining a strong paramagnetic response and an effective magnetic moment of similar to 6 mu B. Our results may entice further investigation into whether an analogous Gd3+ to Gd2+ reduction takes place in other Gd-filled CNT systems