Rezumat Etapa I/2017:
În cadrul etapei 1/2017 s-au realizat nanomaterialele carbonice cu rol de GDL şi suport de catalizator. GDL-urile tristratificate pe bază de geluri carbonice cu straturi de grafene încorporate au fost sintetizate în câmp centrifugal cu diferite viteze de rotaţie. Acestea au fost caracterizate din punct de vedere morfologic, structural şi al conductivităţii electrice şi apoi s-a realizat ansamblul membrană-electrod (MEA) . Ansamblele MEA au fost testate cu ajutorul unui sistem de testare a pilelor de combustie Agilent 6060B.
Au fost realizate structuri nanocarbonice (grafene multistrat) prin piroliza laser a filmelor de polimidă în rol de strat microporos. După depunerea stratului de catalizator acestea au fost asamblate în MEA prin metoda decal (exfolierea stratului de grafene de pe suprafaţa filmului de polimidă rămas). Filmele de grafene au fost utilizate ca atare sau dopate cu azot în plasmă.
Suportul de catalizator pe bază de geluri carbonice activate a fost caracterizat din punct de vedere morphologic, structural şi electrochimic. Au fost realizate teste preliminare asupra unui catalizator de Pt în pilele de combustie. Continuarea testelor catalizatorilor de Pt pe suport carbonic în pilele de combustie vor fi prezentate în etapa 2/2018.
Cercetarea şi îmbunătăţirea materialelor din care sunt confecţionate componentele pilelor de combustie conduce la echilibrarea raportului eficienţă-cost, permiţând astfel imlementarea ulerioară a dispozitivelor experimentale în cadrul generatorilor de energie eficienţi, asigurând astfel transferal tehnologic către sectorul energetic.
Metode de caracterizare:
Microscop electronic prin baleaj cu dispozitiv EDAX –HITACHI S2600N cu sondă EDAX: 1. Analiza imaginii cu electroni secundari (SEI) rezoluţie până la 4.0 nm (la 25 kV în vid înaintat), domeniul de mărire 15x – 300.000x, tensiunea de accelerare 0,5 kV – 30 kV; 2. Analiza imaginii cu electroni retroîmprăştiaţi (BSE) rezoluţie până la 5.0 nm (la 25 kV în presiune variabilă), domeniul de presiune 1 – 270 Pa, domeniul de mărire 15x – 300.000x; 3. Microanaliza calitativa si cantitativa prin spectrometrie de raze X dispersiva in energie (EDXS).
Spectrometru Raman: Jasco NRS-3100 cu dublu fascicul laser (532 nm si 785 nm), microscop confocal, domeniu de masura 50 cm-1 – 8000 cm-1, rezolutie 1 cm-1, masa de lucru automata, masuratori in lumina polarizata, obiective pentru NIR.
Potentiostat: Radiometer Analytical PGZ301 cu sistem de control Voltalab 40, masuratori de impedanta, voltametrie ciclica, coroziune; celula electrochimica 25 cm3 cu manta de raciere, electrozi de referinta (calomel, Ag/AgCl, DHE, RHE etc.), sistem pentru caracterizarea electrozilor serigrafici.
Caracterizari electrice: Sursa de curent si tensiune si masurare Keithley 2400; ±5 µV (sursa) si ±1 µV (masurare) pana la ±200 V curent continuu; sursa si masurare curenti in domeniul ± 10 pA pana la ± 1A.
Rezultate Etapa 1/2014:
GDL-uri tristratificate
Au fost realizate straturi de difuzie a gazului (GDL) tristratificate: hârtie carbonică-xerogel carbonic/carbon blac. Acestea au fost realizate prin îmbinarea hârtiei carbonice (CP) cu stratul de xerogel carbonic (XC). Astfel condensarea şi reticularea solului de XC se realizează în reţeaua poroasă a CP, realizând astfel un contact ferm între stratul microporos (MPL) şi suportul CP.
Imaginile SEM a suprafaţelor MPL/GDL compozite: a) GDL-Grafene, în rol de MPL, ce prezintă fulgi de grafene multistratificate ; b) GDL-0G ce prezintă fibre de hârtie carboică acoperite de particule de xerogel carbonic; c) GDL-125G cu o acoperire de particule de xerogel diminuată; d) GDL-250G în care particulele de xerogel au migrat, realizând astfel suprafeţe mai compacte ce acoperă fibrele hârtiei carbonice. Scala: 5µm
Profilele curbelor de polarizare pentru ansamblele referinţă: a) MEA-CB, b)MEA-KjB, c) MEA-Grafene şi pentru ansamblele tristratificate pe bază de xerogeluri carbonice: d) MEA-0G, e) MEA-125G, şi f) MEA-250G. MEA ce prezintă suportul puternic centrifugat MEA-250G prezintă performanţe similare cu MEA referinţă: MEA-KjB şi MEA-Grafene. Valorile au fost întregistrate la 80oC, 80% umiditate, presiune 150kPa şi un debit de gaz de 100sccm pentru hidrogen şi 500sccm pentru oxigen.
Strat microporos obţinut prin pirogravarea laser a filmelor de polimide
Pentru a obţine stratul microporos de grafene multistrat s-a utilizat un film de Piralux (film de Kapton 100μm depus pe folie de cupru). Pirogravarea laser s-a realizat utilizând un gravator laser JQ-4030 CNC produs de Jinan JinQiang Laser CNC Equipment Co. Ltd. (putere maximă 40W, lumgime de undă de 10.6μm cu puls de ~14μs, rază laser de ~120μm, tub laser de CO2 sigilat, răcire cu apă). Stratul microporos pirogravat este de 9 cm2 (3 x 3 cm).
Metoda de realizare este rapidă, realizată într-un singur pas şi scalabilă (după cum se poate observa în figura de mai sus). Aceasta conoferă o abordare accesibilă, ieftină, pentru producţia de grafene. Selectarea parametrilor de operare determină proprietăţile, structura şi morfologia materialului carbonic.
Imaginile SEM, TEM şi HTEM ale profilelor grafenei obţinure prin metoda LIG: a) şi b) imaginile TEM ale grafenelor obținute prin LIG, la creșterea rezoluției, care prezintă nano-fulgi și lamele de grafenă; imagini SEM ale rețelei poroase de spumă LIG; (c) imaginile HTEM ale structurii cristalite ale grafenelor LIG, care prezintă distribuții de planuri paralele și curbe corespunzătoare fulgilor de grafenă, lamele rupte și alotropuri exotice, cum ar fi CNT; f), g) şi h) imaginile SEM ale profilelor grafenei la diferite scale.
Suport de catalizator
S-a utilizat metoda reducerii chimice a unui acid al Pt. Se realizează o soluţie de acid cloroplatinic hexahidrat în etilen glicol cu un pH basic (prin adiţie de NaOH) astfel încât cantitatea de Pt să corespundă unei încărcări de 50%Pt/C. Au fost realizate trei probe utilizând xerogel carbonic neactivat, activat cu H2O2 şi activat cu NaOH, notate Pt/XC, Pt/XC-H2O2 şi, respective Pt/XC-NaOH.
