Fuel cells are electrochemical energy conversion devices to be fed with a fuel and oxidant in order to generate electricity. Ethanol has, recently, shown a promising potential to replace hydrogen as a fuel directly fed into the cell due to its liquid state and sustainability. The challenge, however, is the significantly slow ethanol oxidation kinetics. Therefore, an affordable, highly active, and stable catalyst is necessary for activating such reaction. Platinum (and its alloys) is known as the most active metal for fuel cell catalysis, but its scarce presence has made the fuel cell commercialisation non-feasible. Also, it is very susceptible to poisoning by carbonaceous species which considerably decreases the catalyst lifetime. Palladium has shown a good potential to replace Pt. It is more abundant than Pt and has shown a comparable performance. Furthermore, it is more tolerant for poisoning species. In this thesis, Pd nanoparticles (NPs) are prepared by chemical reduction on five different carbon supports all of which are physically characterised and evaluated for ethanol oxidation. Because of a critical balance amongst the physiochemical characteristics (surface area, porosity, crystallinity extent), Vulcan carbon (XC72) has presented the highest support functionality for Pd ethanol oxidation as measured by the obtained current density. Numerous research efforts have co-concluded that adding a 2nd metal to Pd is beneficial economically and technically. Yet, a few groups have given attention to the trimetallic Pd-based electrocatalysts. Therefore, the main target of this thesis is to investigate various trimetallic combinations and synthesis methods to prepare C-supported trimetallic catalysts. Three different borohydride reduction synthetic protocols were deployed to prepare PdAuNi catalysts. The sodium borhydride-2-propanol (SBIPP) method gives the highest performing PdAuNi/C catalyst with 9-A/mgPd current density peak and - 0.36-V-vs-NHE onset potential while the single Pd counterpart gives only 2 A/mgPd and - 0.26 V, respectively. The physical characterisation shows enhanced physical alloy structure of this PdAuNi. Using the SBIPP protocol, 12 other catalyst combinations from Pd and two other metals were prepared with 12 wt.% metal loading. PdAu-based catalysts have shown significant enhancement of the Pd activity and stability towards ethanol oxidation. PdAuRh, in particular, produces a remarkable oxidation current peak of 10 A/mgPd and - 0.4-V onset potential. The PdAuRh and PdAuNi catalysts seem to present serious candidates to replace Pt and facilitate the transition into an affordable low-carbon technology to supply sustainable electricity.======================================================================================
ِArabic Abstract
تعتبر خلايا الوقود أجهزة تحويل طاقة يتم تغذيتها بوقود ومؤكسد لكي تولد كهرباء. وحديثا لاقي وقود الايثانول اهتمام الباحثين كوقود لتغذية الخلية بدلا من الهيدروجين نظرا لطبيعته السائلة واستدامة وجوده. ولكن التحدي امامه هو البطء الشديد في تفاعل اكسدته داخل الخلية. لذا من الضروري إيجاد حفاز نشط جدا لتحفيز اكسدة الايثانول لوقت طويل نسبيا. يعرف معدن البلاتين بأنه انشط المعادن لتحفيز تفاعلات خلايا الوقود ولكن ندرته الشديدة تجعل تسويق خلايا الوقود تجاريا غير مجدي. أيضا فان معدن البلاتين لا يقام السموم الكربونية التي قد توجد على شكل شوائب او تنتج اثناء التفاعلات في خلايا الوقود مما يجعل عمر الحفاز الفعلي قصير جدا. على الجانب الآخر معدن البلاديوم يقدم بديل مناسب للبلاتين حيث انه اقل ندرة من البلاتين في القشرة الأرضية و يعمل بكفاءة تناظر البلاتين. إضافة الي ذلك فان عمر حفاز البلاديوم أطول من البلاتين نظرا لقدرة الأول على مقاومة التسمم بالعينات الكربونية. في هذه الرسالة جسيمات البلاديوم النانوية تم تحضيرها بالاختزال الكيمياء و تم تثبيتها على خمسة أنواع كربون مختلفة كل منهم تم تحليه فيزيائيا و كيميائيا و تم تطبيقها لأكسدة الايثانول. نظرا لتداخل تأثيرات الخواص الفيزوكيميائية مثل المساحة السطحية والمسامية ودرجة التبلور فان الكربون من نوع فولكان 72 قدم افضل أداء هندسي كحامل لحفاز البلاديوم لأكسدة الايثانول يعرف من خلال شدة التيار الكهربي الناتج من التفاعل. العديد من الدراسات السابقة توصلت الى ان إضافة عنصر آخر الي البلاديوم يحقق مصلحة مزدوجة برفع الكفاءة و تقليل الكمية المستهلكة من معدن البلاديوم النبيل. و لكن القليل من الدراسات ركز على دراسة إضافة عنصرين الي البلاديوم بدلا من عنصر واحد. لذا الهدف في هذا العمل هو فحص تركيبات محفزة مختلفة من ثلاث معادن (بلاديوم إضافة الى معدنين اخرين) وطرق تحضير مختلفة. ثلاث طرق اختزال باستخدام البوروهيدريد تم تطبيقاها لانتاج ثلاث حفازات ثلاثية من البلاديوم و الذهب و النيكل. الحفاز المنتج باستخدام تركبية بوروهيدريد الصوديوم و البوروبانول الثنائي هو اعلاهم أداء بكثاقة تيار 9 امبير/مجم (بلاديوم) و جهد بدأ أكسدة -0.36 فولت بينما الحفازي الأحادي من البلاديوم اعطي فقط 2 امبير/مجم (بلاديوم) و ابتدء اكسدة الايثانول مع فرق جهد -0.26 فولت. التشخيص الفيزيائي لهذا الحفاز بينية انشائية محسنة من سبيكة البلاديوم و الذهب و النيكل. و بنفس طريقة التحضير تم تحضير 12 حفاز ثلاثى اخري من البلاديوم و معدنين اخرين و معدل تحميل المعدن على الكربون يكافئ 12% بالوزن. بصفة عامة الحفازات التي تحتوي على بلاديوم و ذهب إضافة الى معدن اخر تقدم أداء محسن تجاه اكسدة الايثانول اكثر من الحفازات الأخرى. انشط هؤلاء هو الحفاز الذي يحتوي على بلاديوم و ذهب و روديوم و الذي انتج كثاقة تيار مرتفعة بقيمة 10 امبير/مجم (بلاديوم) و بدأ أكسدة الايثانول عند تطبيق جهد -0.4 فولت. ان هذا الحفاز الثلاثي و أيضا الحفاز المحتوي على بلاديوم و ذهب و نيكل يقدمون بدائل ناجحة و جدية لاستبدال البلاتين و يمكنهم تسهيل الانتقال الي تقنية منعدمة الكربون لإنتاج الكهرباء بشكل مستدام
