Tổng hợp và đặc trưng điện hóa xúc tác Pt/C bằng phương pháp polyol cho ứng dụng pin nhiên liệu màng trao đổi proton
DOI:
https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.114.2026.135-141Từ khóa:
Pt/C catalyst; Polyol synthesis method; Oxygen reduction reaction (ORR); Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs); Electrochemical characterization.Tóm tắt
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) được xem là một trong những giải pháp năng lượng sạch đầy triển vọng. Trong nghiên cứu này, xúc tác Pt/C trên nền carbon Vulcan XC-72 được tổng hợp bằng phương pháp polyol sử dụng ethylene glycol và polyvinylpyrrolidone. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận sự hình thành pha Pt cấu trúc lập phương tâm mặt với kích thước tinh thể khoảng ~1,8 nm. Phân tích BET cho thấy vật liệu có cấu trúc mao quản trung bình với diện tích bề mặt riêng đạt 91,97 m²/g. Ảnh hiển vi điện tử quét kết hợp phân tích EDX cho thấy Pt phân tán đồng đều với hàm lượng khoảng 30,18% khối lượng. Phổ trở kháng điện hóa (EIS) cho thấy điện trở dung dịch thấp và điện trở chuyển điện tích ở mức trung bình (~260 Ω), gợi ý cơ chế phản ứng bị chi phối bởi quá trình chuyển điện tích. Phép đo voltammetry quét tuyến tính (LSV) cho thấy hoạt tính tốt đối với phản ứng khử oxy (ORR), với mật độ dòng đạt -7,2 mA/cm² tại -0,8 V. Xúc tác cũng thể hiện độ ổn định chấp nhận được sau 100 chu kỳ. Nhìn chung, xúc tác Pt/C tổng hợp được cho thấy hoạt tính ORR bước đầu trong môi trường điện ly kiềm; tuy nhiên, cần tiếp tục đánh giá điện hóa trong môi trường axit và thực hiện các thử nghiệm độ bền dài hạn trước khi có thể khẳng định khả năng ứng dụng thực tế của xúc tác trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton.
Tài liệu tham khảo
[1]. S. Chu and A. Majumdar, “Opportunities and challenges for a sustainable energy future”, Nature, Vol. 488, No. 7411, pp. 294–303, (2012).
[2]. D. E. Lazo, L. G. Dyer, R. D. Alorro and R. Browner, “Treatment of monazite by organic acids II: Rare earth dissolution and recovery”, Hydrometallurgy, Vol. 179, pp. 94–99, (2018). DOI: 10.1016/j.hydromet.2018.05.022.
[3]. S. Legg, “IPCC, 2021: Climate change 2021-the physical science basis”, Interaction, Vol. 49, No. 4, pp. 44–45, (2021).
[4]. Y. Wang, Y. Pang, H. Xu, A. Martinez and K. S. Chen, “PEM fuel cell and electrolysis cell technologies and hydrogen infrastructure development–a review”, Energy & Environmental Science, Vol. 15, No. 6, pp. 2288–2328, (2022).
[5]. R. O’Hayre, S.-W. Cha, W. Colella and F. B. Prinz, “Fuel Cell Fundamentals”, John Wiley & Sons, (2016).
[6]. M. Shao, Q. Chang, J.-P. Dodelet and R. Chenitz, “Recent advances in electrocatalysts for oxygen reduction reaction”, Chemical Reviews, Vol. 116, No. 6, pp. 3594–3657, (2016).
[7]. M. K. Debe, “Electrocatalyst approaches and challenges for automotive fuel cells”, Nature, Vol. 486, No. 7401, pp. 43–51, (2012).
[8]. A. Kongkanand and M. F. Mathias, “The priority and challenge of high-power performance of low-platinum proton-exchange membrane fuel cells”, Journal of Physical Chemistry Letters, Vol. 7, No. 7, pp. 1127–1137, (2016).
[9]. P. A. Loichet Torres et al., “ORR activity and voltage-cycling stability of a carbon-supported PtxY alloy catalyst evaluated in a PEM fuel cell”, Journal of The Electrochemical Society, Vol. 170, No. 12, p. 124503, (2023).
[10]. X. Zhao et al., “Simultaneous improvements in performance and durability of an octahedral PtNix/C electrocatalyst for next-generation fuel cells by continuous, compressive, and concave Pt skin layers”, ACS Catalysis, Vol. 7, No. 7, pp. 4642–4654, (2017).
[11]. Y. Shao, J. Liu, Y. Wang and Y. Lin, “Novel catalyst support materials for PEM fuel cells: Current status and future prospects”, Journal of Materials Chemistry, Vol. 19, No. 1, pp. 46–59, (2009).
[12]. E. Antolini, “Carbon supports for low-temperature fuel cell catalysts”, Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 88, No. 1–2, pp. 1–24, (2009).
[13]. J. C. Meier et al., “Degradation mechanisms of Pt/C fuel cell catalysts under simulated start–stop conditions”, ACS Catalysis, Vol. 2, No. 5, pp. 832–843, (2012).
[14]. R. Borup et al., “Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation”, Chemical Reviews, Vol. 107, No. 10, pp. 3904–3951, (2007).
[15]. H. Wang et al., “Direct and continuous strain control of catalysts with tunable battery electrode materials”, Science, Vol. 354, No. 6315, pp. 1031–1036, (2016).
[16]. S. Karadeniz and N. Ayas, “Microwave-assisted synthesis of Pt/C catalyst at high temperatures for PEM fuel cells”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 52, pp. 1564–1576, (2024).
[17]. F. Zhan et al., “Recent advances on support materials for enhanced Pt-based catalysts: Applications in oxygen reduction reactions for electrochemical energy storage”, Journal of Materials Science, Vol. 60, No. 5, pp. 2199–2223, (2025).
[18]. M. Chourashiya, R. Sharma, S. Gyergyek and S. M. Andersen, “Gram-size Pt/C catalyst synthesized using Pt compound directly recovered from an end-of-life PEM fuel cell stack”, Materials Chemistry and Physics, Vol. 276, p. 125439, (2022).
[19]. M. Escudero-Escribano et al., “Tuning the activity of Pt alloy electrocatalysts by means of the lanthanide contraction”, Science, Vol. 352, No. 6281, pp. 73–76, (2016).
[20]. R. Lin et al., “Effect of heat treatment on the activity and stability of PtCo/C catalyst and application of in-situ X-ray absorption near edge structure for proton exchange membrane fuel cell”, Journal of Power Sources, Vol. 293, pp. 274–282, (2015). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.05.067.
