Bio-nanosilika sebagai penyokong elektromangkin platinum untuk peningkatan ketahanan katod dalam sel fuel membran pertukaran proton (PEMFC)

Abstract

Teknologi sel fuel sentiasa berkembang sebagai suatu tenaga yang boleh diperbaharui yang menjanjikan, terutamanya, untuk sel fuel membran pertukaran proton (PEMFC). Walaupun Pt/C mempunyai aktiviti mangkin tinggi, Pt/C menghadapi isu pengakisan karbon yang membawa kepada pelarutan, pemindahan dan penggumpalan zarah Pt. Fenomena ini menurunkan prestasi jangka panjang PEMFC. Kaedah menyalut Pt/C dengan nanosilika berliang (SiO2) diperkenalkan sebagai pendekatan yang menarik untuk melindungi Pt dari pelarutan. Namun, kaedah ini boleh menyebabkan penurunan dalam aktiviti penurunan oksigen (ORR) pada katod disebabkan oleh terdapat rintangan untuk bahan tindak balas melalui liang pada SiO2 untuk mencapai ke permukaan mangkin. Kajian ini bertujuan untuk memperkenalkan pendekatan inovatif dengan menggunakan nanosilika (bio-SiO2) berasaskan sekam padi yang menambatkan zarah Pt untuk membentuk Pt/SiO2, lalu dicampurkan dengan bahan karbon untuk menjadikan mangkin ORR. Dalam kajian ini, nanosilika (bio-SiO2) telah dihasilkan dengan pembakaran pada suhu 800 °C untuk 1 jam dan seterusnya telah melalui kaedah pemendakan alkali untuk menghasilkan nanosilika. Seterusnya permukaan nanosilika telah diubahsuai dengan penambahan ikatan amina dan penambatkan Pt dilakukan dengan kaedah penurunan kimia basah. Karbon hitam berkonduktif ditambah ke atas Pt/SiO2 untuk menghasilkan Pt/SiO2-C. Pt/SiO2 telah disediakan dengan nisbah 1:1, 1:2, 1:4, 2:1, 4:1 dan 6:1 dan karbon ditambah dengan muatan 0.05 g (C1), 0.1 g (C2), dan 0.2 g (C3). Bio-SiO2 dalam bentuk zarah bulat (monodisperse) dengan saiz berjulat antara 20-50 nm telah diperolehi. Analisis Fourier Transform Inframerah (FTIR) menunjukkan kumpulan berfungsi amina hadir pada bio-SiO2. Kehadiran zarah nano Pt di atas bio-SiO2 dibuktikan melalui analisis pembelauan sinar-X (XRD) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Analisis elektrokimia untuk ORR dijalankan dalam dua elektrolit iaitu 0.1 M HClO4 dan 0.5 M H2SO4. Pt/SiO2-C2 (6:1) telah menunjukkan nilai keupayaan permulaan (Epermulaan) yang tertinggi iaitu 0.85 V vs RHE dan keupayaan separa gelombang (E1/2) ialah 0.67 V dengan purata nombor pemindahan elektron 4. Plato arus penghad yang jelas dapat dilihat, menunjukkan tindak balas penurunan oksigen berjaya berlaku pada permukaan Pt tanpa ditambat secara langsung pada karbon. Pendekatan ini berjaya menunjukkan tindak balas berlaku pada permukaan Pt yang ditambatkan pada nanosilika, dan dengan kehadiran karbon, ia membantu pengaliran elektron semasa tindak balas berlaku. Walaupun aktiviti ORR ini masih lebih rendah daripada Pt/C (Epermulaan of 0.92 V), ketahanan mangkin ini lebih tinggi daripada Pt/C. Analisis kronoamperometri menunjukkan kadar kemerosotan arus yang stabil iaitu 2 x10-5 mA/cm2s-1 selepas 10 000 s untuk Pt/SiO2-C2 (6:1). Selain itu, ujian ketahanan pecutan (ADT) menunjukkan tiada penurunan dalam Epermulaan selepas ujian untuk 5000 kitaran, berpandukan protokol muatan kitaran dalam julat 0.6 - 1.0V vs RHE. Selain itu terdapat peningkatan dalam E1/2 ke 0.72 V (Δ E1/2 = + 50 mV), dengan peningkatan ketumpatan arus penghad. Walaubagaimanpun, ujian sel tunggal menunjukkan ketumpatan kuasa yang rendah bagi sampel Pt/SiO2-C2 (6:1) dengan 2.1 mW/cm2, manakala Pt/SiO2-C3 (6:1) (muatan karbon tinggi) 3.1 mW/cm2 tetapi keduadua lagi rendah dari Pt/CB disintesis. Secara kesimpulan, kajian ini berjaya membangunkan satu pendekatan yang baharu iaitu dapat mengurangkan pelarutan zarah mangkin Pt, yang dapat meningkatan ketahanan mangkin.