PtCo catalyst for oxygen reduction reaction in fuel cell

Polttokenno on sähkökemiallinen laite, jolla voidaan muuttaa polttoaineen (usein vety) kemiallinen energia suoraan sähköksi korkeammalla hyötysuhteella kuin polttomoottorissa. Tämä tapahtuu sähkökemiallisilla reaktioilla siten, että polttoaine hapettuu anodilla ja happi pelkistyy katodilla. Hapenpelkistys on yksi suurimmista polttokennon suorituskykyä rajoittavista tekijöistä. Sen katalysointiin käytetään usein platinananopartikkeleita, jotka on sidottu hiilikantajan päälle. Platinan kalliista hinnasta ja kohtuullisen huonosta kestävyydestä johtuen vaihtoehtoisia katalyyttejä on alettu kehittää, ja yhtenä esimerkkinä ovat platinaseosmetallikatalyytit. Tässä työssä platinan seosmetalliksi on valittu koboltti kolmesta syystä. Ensinnäkin koboltti muodostaa platinan kanssa Pt3Co fcc-rakenteen, jossa platina-atomit ovat lähempänä toisiaan ja siten hapenpelkistykselle aktiivisempia. Toiseksi, koboltti toimii partikkeleissa uhrimetallina ja siten parantaa platinan kestävyyttä. Näiden lisäksi puhdas koboltti katalysoi hapenpelkistysreaktiota. Kirjallisuusosuudessa käsitellään polttokennon sovelluskohteita, hapenpelkistyksen teoriaa, seosmetallikatalyytin syntetisointimenetelmiä ja sitä, miten polttokennokatalyyttiä voidaan karakterisoida. Työn tavoitteena on kehittää toistettava syntetisointimenetelmä seosmetallikatalyytille ja selvittää, onko koboltin lisäämisestä platinakatalyyttiin hyötyä polttokennon hapenpelkistysreaktion suorituskyvyn tai kestävyyden kannalta. Kokeellisessa työssä syntetisoitiin PtCo-katalyyttiä kahdella menetelmällä: pelkistämällä nanopartikkeleita mikroemulsiosta ja sähkösaostamalla nestekideliuoksesta. Nestekidesaostuksella muodostuu halkaisijaltaan 1-3 μm kokoisia mesohuokoisia partikkeleita. Näitä verrattiin sekä kaupalliseen platinakatalyyttiin että samoilla menetelmillä valmistettuihin platinakatalyytteihin. Kaikkien katalyyttien toimintaa tutkittiin polttokennossa ja lisäksi nanopartikkelikatalyyttejä pyörivällä levyelektrodilla. Nanopartikkeleiden karakterisointiin käytettiin myös termogravimetriä, läpäisyelektronimikroskooppia ja röntgendiffraktometriä sekä mesohuokoisten mikropartikkeleiden karakterisointiin pyyhkäisyelektronimikroskooppia ja röntgenfluoresenssispektrometriä. Platinakobolttinanopartikkeleita tehtiin kolmella eri sekoitussuhteella: Pt3Co, PtCo ja PtCo3. Näistä parhaaksi katalyytiksi osoittautui kirjallisuudessakin eniten mielenkiintoa herättänyt Pt3Co. Sähkösaostetut katalyytit osoittautuivat hapenpelkistykselle nanopartikkelikatalyyttejä huomattavasti aktiivisemmiksi ja etenkin yhtaikaisesti sähkösaostetulla PtCo-katalyytillä saavutettiin 50 % suurempi maksimiteho kuin kaupallisella katalyytillä. Lisäksi sähkökemiallisella karakterisoinnilla saatiin viitteitä siitä, että koboltti todella parantaisi platinan kestävyyttä.A fuel cell is an electrochemical device which transfers the chemical energy of a fuel (often hydrogen) into electricity with higher efficiency than a combustion engine. This happens through electrochemical reactions so that fuel is oxidized at an anode and oxygen is reduced at a cathode. Oxygen reduction is one of the major cell performance determining factors. As an oxygen reduction reaction catalyst, carbon supported platinum nanoparticles are most commonly used. Due to the high cost of platinum and its moderately low durability alternative catalysts are being researched. One of these alternatives is a platinum alloy catalyst in which a low cost transition metal is alloyed with platinum. In this work cobalt has been selected as the transition metal due to mainly three reasons. Firstly, it forms a stable Pt3Co face centred cubic structure in which platinum atoms are closer to each other and therefore more active for oxygen reduction. Secondly, as a less noble metal cobalt dissolves more easily than platinum and therefore increases its durability. Finally, cobalt also catalyses oxygen reduction. In the literature part applications of fuel cells, theory of oxygen reduction, synthesis methods of alloy catalysts and characterizing methods of a fuel cell catalyst are reviewed. The goal of this work is to develop a practical method to synthesize alloy catalysts and to find out whether cobalt increases the oxygen reduction activity of platinum or its durability in fuel cell conditions. In the experimental part PtCo catalyst has been synthesized using two methods: reduction through microemulsion to form nanoparticles and by electrodeposition from a liquid crystal phase. The electrodeposition generates mesoporous particles that have a diameter of 1-3 μm. These catalysts were compared to a commercial platinum nanoparticle catalyst and to platinum catalysts prepared using the same methods. All catalysts were examined in a fuel cell and additionally nanoparticle catalysts were studied using a rotating disc electrode. The nanoparticles were also characterized using a thermo gravimeter, a transmission electron microscope and an X-ray diffractometer and the mesoporous microparticles were characterized using a scanning electron microscope and an X-ray fluorescence spectrometer. The alloy nanoparticles were prepared using three different atomic ratios: Pt3Co, PtCo and PtCo3. Pt3Co is the most studied in literature and was found to be the best ratio. The electrodeposited catalysts proved to be significantly more active towards oxygen reduction than the nanoparticles. Especially using a co-deposited PtCo-catalyst 50 % higher maximum power was achieved when compared to the commercial catalyst. Additionally, the electrochemical characterization suggests that cobalt truly improves the durability of platinum

Trimetallic catalyst based on PtRu modified by irreversible adsorption of Sb for direct ethanol fuel cells

In this work, PtRu/C–Sb materials prepared by adding a Sb salt to the ink of commercial PtRu/C were studied as catalysts for ethanol oxidation. The prepared trimetallic catalysts showed enhanced properties for ethanol oxidation through a wide range of surface coverages. However, coverage higher than 0.7 of Sb on PtRu/C causes the decrease of the catalytic activity suggesting that specific sites composed of 3 metals are necessary to achieve the highest performance. In situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy experiments were also performed to compare the reaction products of the bimetallic and trimetallic catalysts. The catalysts were also tested under fuel cell conditions. Also in this case, higher power densities, higher open-circuit voltages and better stability than the bimetallic substrate were found. With this catalyst preparation method, the catalysts showed 2 times higher current densities than for the PtRu catalysts and 6 times better than for pure Pt anodes.The financial support from Aalto University is acknowledged. This work made use of the Aalto University Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) premises. J.M.F. and R.M.A.A. would like to thank MICINN through Project CTQ2013-44083-P

Potilas- ja asiakasturvallisuuden tilannekuva ja seurantamenettelyt : Ehdotus seurannan mittaristoksi

Suomessa ei ole saatavilla kansallista potilas- ja asiakasturvallisuuden tilannekuvaa. Turvallisuutta koskevia tietoja leimaa hajanaisuus ja pirstaleisuus. Tietoja kerätään ja tilannetta seurataan epäyhtenäisesti paikallisella, mahdollisesti alueellisella sekä kapeasta näkökulmasta myös kansallisella tasolla. Tämän seurauksena potilas- ja asiakasturvallisuuden kattava arviointi ei ole mahdollista. Myös potilas- ja asiakasturvallisuuden ohjaus ja valvonta on vaikeutunut. VN TEAS -hankkeessa on koottu mittaristo, joka mahdollistaa sote-organisaatioiden vertailun ja vertaiskehittämisen. Mittaristo jakautuu kolmeen osa-alueeseen: 1) rakenteita ja käytänteitä tukevat tarkistuslistaindikaattorit, 2) kuuma linja -indikaattorit, jotka kuvaavat vakavien haittoja ja niiden ilmoittamis- ja käsittelykäytäntöjä tavoitteena nopeuttaa ja tehostaa haittojen käsittelyä ja ennaltaehkäisyä toimintayksiköissä; sekä 3) keskeiset määrälliset vertailuindikaattorit, joista kansallinen vertailu on mahdollista aloittaa. Alueilla ja toimintayksikkötasolla mittaristoa olisi mahdollista hyödyntää vapaaehtoisuuteen perustuvalla vertaiskehittämisen mallilla. Mittareiden valinta on tehty laajasta valikoimasta, joista valtaosa on toimintayksiköissä käytössä. Valinta on perustunut sekä hankkeessa työskennelleiden että ulkopuolisten asiantuntijoiden laajaan konsensukseen, kansainvälisiin esimerkkeihin ja suosituTämä julkaisu on toteutettu osana valtioneuvoston selvitys- ja tutkimussuunnitelman toimeenpanoa (tietokayttoon.fi). Julkaisun sisällöstä vastaavat tiedon tuottajat, eikä tekstisisältö välttämättä edusta valtioneuvoston näkemystä

Elektrokatalyyttien tutkimusmenetelmät polymeerielektrolyyttimembraanikennoissa

The demand for flexible energy storage solutions increases as we gradually shift towards the utilization of renewable energy sources. Polymer electrolyte membrane (PEM) cell technologies provide easily scalable devices that can store energy through water splitting as hydrogen and, if necessary, restore the energy with high efficiency. The PEM technologies have not yet generalized due to the high cost and partially non-durable cell components. Thus, fundamental material research is needed for the development of these technologies. The development of electrocatalysts is particularly urgent, as none other than critical raw material categorized platinum group metals have been extensively used in PEM cells. This thesis focuses on the two currently most commercially viable PEM cell types: PEM water electrolyser and PEM fuel cell. Novel electrocatalyst material solutions are presented with the aim of reducing the amount of required critical raw materials and to increase the durability of these devices. The experimental material research of electrocatalysts takes place in two types of systems: half-cell and full-cell systems. Half-cell experiments are useful for catalyst material screening, but for commercialization, extensive full-cell tests are required. Since the protocols of full-cell experiments have high variation and since their theoretical background is not always fully understood, this thesis reviews the different experimental full-cell methods used for electrocatalysts. Emphasis is applied to durability experiments and the analysis of electrochemical impedance spectroscopy to understand loss mechanisms in these cells. In full-cell experiments, both the anode and cathode influence the performance of the full cell. In order to separate their impact, a reference electrode is required. In this thesis, a novel reference electrode design is presented for PEM water electrolyser and it is used to study the degradation of the state-of-the-art anode and cathode in a long-term experiment. A rapid platinum nanoparticle growth and corrosion of the carbon support were detected in the cathode catalyst. A novel catalyst utilizing carbon nanotubes as the support material is proposed and verified to have a significantly lower rate for these degradation mechanisms. In the PEM fuel cell, a novel mesoporous film catalyst is proposed to solve the fast growth of nanoparticles on the cathode. The novel catalyst indeed has a low degradation rate in comparison to the state-of-the-art catalyst. The mass activity of mesoporous platinum can be increased further by alloying with cobalt. The understanding of what catalyst experiences during full-cell operation is essential for catalyst development. Using the methods provided in this thesis, it is possible to enhance that understanding to improve the existing catalysts and help to design the next generations.Joustavien energian varastointimenetelmien tarve lisääntyy, kun siirrymme kohti uusiutuvaa energiantuotantoa. Polymeerielektrolyyttimembraanikenno (PEM) teknologiat mahdollistavat helposti skaalattavia laitteita, joissa sähköenergia voidaan varastoida vedyksi vettä hajottamalla. Tarvittaessa vety voidaan muuntaa takaisin sähköenergiaksi korkealla hyötysuhteella. PEM-teknologioiden käyttö ei ole vielä yleistynyt, koska niiden komponentit ovat kalliita ja osa komponenteista huonosti kestäviä. Siksi näiden teknologioiden kehityksessä tarvitaan materiaalien perustutkimusta. Erityisesti elektrokatalyyttien tutkimus on tärkeää, sillä vain kriittisiksi raaka-aineiksi luokiteltuja platinametalleja käytetään kaupallisten sovellusten katalyytteinä. Tämä työ keskittyy kahteen tällä hetkellä kaupallisesti kannattavimpaan PEM-kenno tyyppiin: veden PEM-elektrolyyseriin ja PEM-polttokennoon. Työssä esitellään uusia vaihtoehtoja elektrokatalyyteiksi, joilla voitaisiin vähentää kriittisten raaka-aineiden tarvetta näissä laiteissa ja parantaa niiden kestävyyttä. Elektrokatalyyttien kokeellista tutkimusta voidaan suorittaa kahdessa eri kennotyypissä: puolikennossa ja kokokennossa. Puolikennossa tehtävät kokeet ovat hyödyllisiä katalyyttimateriaalien seulonnassa, mutta katalyytin kaupallistaminen vaatii laajoja kokokennomittauksia. Koska kokokennomittauksissa käytetään hyvin erilaisia mittausohjelmia ja koska niiden teoreettista taustaa ei aina tunneta täysin, tämä väitöskirja käy läpi erilaisia elektrokatalyyttien mittaustekniikoita kokokennosysteemeissä. Työssä painotetaan kokokennojen kestävyyskokeita ja häviömekanismien tarkastelua sähkökemiallisen impedanssispektroskopian avulla. Kokokennomittauksissa sekä anodi että katodi vaikuttavat koko kennon suorituskykyyn. Jotta niiden vaikutukset voidaan erottaa, tarvitaan referenssielektrodi. Tässä työssä esitellään uusi PEM-elektrolyyserille tarkoitettu referenssielektrodi ja sitä hyödynnetään kaupallisten anodi- ja katodikatalyyttimateriaalien kestävyyden tutkimiseen. Katodikatalyytissä havaittiin platinananopartikkeleiden nopeaa kasvua ja hiilikantajan korroosiota. Sen korvaajaksi ehdotetaan hiilinanoputkia kantajana käyttävää katalyyttiä, jonka rakenteen havaittiin hajoavan selvästi hitaammin näillä mekanismeilla. PEM-polttokennon katodikatalyytin nanopartikkeleiden nopean kasvun ratkaisuksi ehdotetaan mesohuokoista kalvomaista platinakatalyyttiä. Sen katalyyttinen aktiivisuus heikkeneekin huomattavasti kaupallista katalyyttiä hitaammin, ja sen aktiivisuutta saatiin nostettua entisestään käyttämällä platinan ja koboltin seosta. Katalyyttitutkimuksen kannalta on olennaista ymmärtää, mitä katalyytille tapahtuu kennon ollessa päällä. Tässä työssä esitetyillä menetelmillä on mahdollista syventää sitä ymmärrystä, jotta voidaan kehittää nykyisiä katalyyttejä ja suunnitella seuraavan sukupolven katalyyttejä

Verinäytteenotto leikki-ikäisiltä lapsilta : ammatillinen posteri

Verinäytteenotto on yksi bioanalyytikon ydinosaamisalueista, joka tulee olla jokaisella hallinnassa. Se on osa laboratoriotutkimusprosessin preanalytiikan osa-aluetta. Suurin osa laboratoriotutkimusten virheistä tapahtuu nimenomaan preanalytiikan alueella ja tämä korostuu eritysesti haastavien potilaiden kohdalla. Potilaan hoidon kannalta on erittäin tärkeää, että otettu verinäyte on laadukas ja vastaa potilaan todellista terveydentilaa riip-pumatta potilaan näytteenoton haasteellisuudesta. Paraskaan analysaattori ei saa huonosti tai väärin otetusta näytteestä varmaa ja luotettavaa tulosta. Lapset ovat haastava potilasryhmä myös kokeneemmallekin bio-analyytikolle, mutta erityisesti vasta-alkajille. Tämä opinnäytetyö sisältää kirjallisen raporttiosion lisäksi kuvallisen posterin, jonka sijoituspaikkana on Savonia ammattikorkeakoulun näytteenottotilat. Kuvalliset ohjeet tarjoavat erinomaisen mahdollisuuden koko näytteenottoprosessin läpikäyntiin helposti ymmärrettävässä muodossa. Kun asiasta muodostuu opiskelijalle selkeä prosessi, se helpottaa asian johdonmukaista käsittelyä ja kohtaamista. Opinnäytetyön raporttiosa avaa laajasti eri näkökulmat niin työntekijän, potilaan kuin lasten vanhempienkin näkökulmasta. Siinä käsitellään lasten näytteenotto tekniseltä näkökantilta esitellen eri näytteenottotekniikat, oikeanlaisen lasten käsittelyn sekä turvallisen työskentelyn. Raportissa käsitellään lisäksi myös lapsipotilaiden kohtaaminen psykologiselta puolelta, joka on äärimmäisen tärkeä osa näytteenottoa. Ilman oikeanlaista psykologista lähestymistapaa on lähes mah-doton tehdä yhteistyötä lasten kanssa. Heidän kokemuksensa näytteenotosta vaikuttavat heidän suhtautumiseen asiaan myös tulevaisuudessa, joten hyvillä kokemuksilla on kauaskantoinen merkitys. Vasta valmistuneen bioanalyytikon toimenkuva alkaa usein juuri näytteenottoon perehtymisestä. Lapset ovat päivittäin työssä eteen tuleva potilasryhmä. Perehtymistä helpottaa huomattavasti, mikäli asia on jo ennestään prosessina tuttu. Suuri osa ajasta menee potilaan ohjaamiseen ja esivalmisteluun, jonka aikana erityisesti lap-sipotilaan kohdalla on tärkeää olla varman ja luotettavan oloinen. Sillä on merkitystä potilaan rauhallisuuteen, yhteistyökykyyn ja näin toimimalla saadaan otettua laadukas verinäyte lapsipotilaasta.Drawing blood is one of the cornerstones of biomedical science and it should be mastered by every biomedical scientist. It is a part of preanalytical phase of the laboratory process. The majority of mistakes in the laboratory process take place in the preanalytical phase and that is emphasized with the very challenging patients. For the sake of the patient care and treatment it is crucial that the drawn blood is a good quality sample and the results correlate with the patient’s true condition. Not even the best analyzers can get reliable results from a sample that’s poorly collected or taken using wrong methods or tubes. Children are always a challenge even for an ex-perienced biomedical scientist, but especially for beginners. This thesis consists of a written report and a poster. The poster is meant to be placed in one of the classrooms in Savonia university of applied sciences, where the students practice blood sampling. A poster with pictures offers a great opportunity to view the whole process of drawing blood from children in a very understandable format. When a student understands the subject as an explicit process it helps dealing with the task in a locigal and organized manner. The written part of the thesis opens up the task from the perspective of a biomedical scientist, a parent and a child. It covers the technical part of drawing blood using different techniques, the right way of dealing with the children and working safely. The report also covers confronting a child patient from a psychological point of view, which is immensely crucial part of blood sampling. Without the right approach psychologically it is virtually impossible to co-operate with the child patients. The children’s experiences of getting blood drawn have an influence on their reaction to the matter further on in the future, so good experiences have far reaching consequences. Many of the recently graduated biomedical scientists start their career getting acquainted with blood sampling. Child patients are a quotidian group in a blood sampling laboratory. It significally helps with the acquainting if the subject is already familiar as a whole process. Vast majority of the time spent with a child patient goes to instructing and preparing the patient and the parent during which is very important to give a confident and reliable stature. It has an effect on keeping the patient calm and co-operative which results in a good quality blood sample

Stable Reference Electrode in Polymer Electrolyte Membrane Electrolyser for Three-Electrode Measurements

In this study, various methods to study individual electrodes in polymer electrolyte membrane cells are reviewed and a novel reference electrode design is developed for a laboratory scale single cell polymer electrolyte membrane water electrolyser. The design uses an internal pseudo-reference electrode which is proven to enable galvanostatic electrochemical impedance spectroscopy studies. The setup is used to study the state-of-the-art electrode materials with high loadings in a start-stop cycling durability test. The cycled catalyst layers are characterized ex-situ with SEM, TEM and XRD. As a result, on the anode the mass transport resistance increases, the macro porosity increases and a structural change from amorphous IrOx towards crystalline IrO2 is detected. On the cathode the platinum particle size increases and an intensifying corrosion phenomenon is detected. In overall, this degradation has still low effect on the full cell performance during the studied 1750 hours. However, there is a clear indication that if the start-stop cycling is further continued, the cell will experience a dramatic performance loss much sooner than when operating it in a constant current mode.Peer reviewe

Co-electrodeposited Mesoporous PtM (M=Co, Ni, Cu) as an Active Catalyst for Oxygen Reduction Reaction in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Mesoporous thin films of PtCo, PtNi and PtCu are prepared by a single-step potentiostatic electrodeposition on a carbon substrate. Films are characterized by SEM, XRD, XRF and BET, and their activity for oxygen reduction reaction (ORR) is studied in an acidic three-electrode cell. The results are compared with both a commercial nanoparticle Pt/C catalyst and a Pt catalyst prepared using the same method. Additionally, the ORR activity of PtCo is studied in a fuel cell. The onset potential of ORR is found to be higher for all the electrodeposited catalysts compared to commercial Pt/C. The ORR activity of mesoporous Pt is found to be linearly dependent on the amount of deposited platinum within a platinum loading range of 0.1-0.5 mg cm-2. All the mesoporous catalysts exhibited higher mass activity towards ORR than commercial Pt/C. Of the studied catalysts, PtCo is found to have the highest durability. Similar results are obtained in fuel cell experiments as PtCo exhibits enhanced durability and activity towards ORR, peak powers being 60, 70 and 90 mWgPt-1 for commercial Pt/C, mesoporous Pt and mesoporous PtCo, respectively.Peer reviewe

Benzenedisulfonic Acid as an ALD/MLD Building Block for Crystalline Metal-Organic Thin Films

Funding Information: The authors would like to thank the Academy of Finland (Profi 3 and 5 projects) and the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement CREATE No. 721065 for funding this work. This study made use of RawMatTERS Finland Infrastructure (Aalto – RAMI). Publisher Copyright: © 2021 The Authors. Chemistry - A European Journal published by Wiley-VCH GmbH Copyright: Copyright 2021 Elsevier B.V., All rights reserved.** ALD=atomic layer deposition; MLD=molecular layer deposition. Two new atomic/molecular layer deposition processes for depositing crystalline metal-organic thin films, built from 1,4-benzenedisulfonate (BDS) as the organic linker and Cu or Li as the metal node, are reported. The processes yield in-situ crystalline but hydrated Cu-BDS and Li-BDS films; in the former case, the crystal structure is of a previously known metal-organic-framework-like structure, while in the latter case not known from previous studies. Both hydrated materials can be readily dried to obtain the crystalline unhydrated phases. The stability and the ionic conductivity of the unhydrated Li-BDS films were characterized to assess their applicability as a thin film solid polymer Li-ion conductor.Peer reviewe