Preparation of Platinum-based Electrocatalytic Layers from Colloidal Dispersions with Adjusted Properties
The operation of fuel cells at low temperatures requires the presence of catalysts in anodes and cathodes to improve the kinetics of electrochemical reactions. The most widely used material is a platinum-based and carbon-supported catalyst, especially in polymer electrolyte membrane fuel cells, which are considered as the most suitable type for transportation applications. The slow oxygen reduction reaction taking place at the cathode side of the membrane electrode assembly leads to high platinum loadings in the cathodic catalytic layer, hindering the commercialization of fuel cells. Thus, mechanically stable layers of high porosity and a large number of platinum active sites are desired to provide efficient catalytic performance. In order to increase the fraction of electrocatalytically available platinum toward oxygen reduction reaction, this thesis is devoted to the factors responsible for the microstructure of the cathodic catalytic layers. Typically, the active layers are coated by techniques requiring catalysts in the colloidal state. Therefore, the final structure actually strongly depends on the preparation process and the physicochemical properties of the catalyst dispersion used.
In this work, selecting ultrasonically assisted spraying and electrophoretic deposition as the coating method, and platinum catalysts dispersed on carbon support as an active material, systematic variations of the surface chemistry of the catalyst particles and their influence on catalytic layer morphology, and therefore its electrocatalytic properties, have been investigated. Surface modification was achieved via chemical treatments, introducing electrostatic charges of different strength on the carbon surface. By applying a wide range of oxidative treatments, the colloidal properties of catalyst dispersions were tuned and adjusted. It could be shown that the colloid-chemical properties of the catalyst dispersions have a profound influence not only on the microstructure of the resulting catalytic layers, but also on their electrocatalytic performance. The experiments conducted proved that no universal treatment parameters exist. Oxidative conditions have to be adjusted individually to the particular catalyst and catalytic layer preparation method in order to achieve optimal microstructure and improved catalytic performance. The experimental procedures presented in this thesis provide useful guidelines for the facile fabrication of electrocatalytic layers with optimized properties prepared from catalyst dispersions, with potential application in fuel cell technology.
Der Betrieb von Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen erfordert die Anwesenheit von Katalysatoren in Anode und Kathode, um die Kinetik der elektrochemischen Reaktionen zu verbessern. Das am weitesten verbreitete Material ist ein Katalysator auf Platinbasis verteilt auf einem Kohlenstoffträger, insbesondere in Polymerelektrolytmembran Brennstoffzellen, die als am besten geeigneter Brennstoffzellentyp für Transportanwendungen angesehen werden. Die langsame Sauerstoffreduktionsreaktion, die an der Kathodenseite von der Membran-Elektroden-Einheit stattfindet, führt zu hohen Platinbeladungen in der kathodisch katalytischen Schicht, was die Kommerzialisierung von Brennstoffzellen behindert. Daher sind mechanisch stabile Schichten mit hoher Porosität und einer großen Anzahl von aktiven Platinstellen erwünscht, um eine effiziente katalytische Leistung bereitzustellen. Um den Anteil an elektrokatalytisch verfügbarem Platin für die Sauerstoffreduktionsreaktion zu erhöhen, widmet sich diese Arbeit den Faktoren, die für die Mikrostruktur der kathodischen katalytischen Schichten verantwortlich sind. Typischerweise werden die aktiven Schichten durch Techniken erzeugt, die einen Katalysator im kolloidalen Zustand erfordern. Daher hängt die endgültige Struktur tatsächlich stark vom Beschichtungsprozess und den physikalisch-chemischen Eigenschaften der verwendeten Katalysatordispersion ab.
In dieser Arbeit wurden ultraschallunterstütztes Sprühen und elektrophoretische Abscheidung als Beschichtungsverfahren und auf Kohlenstoffträger dispergierte Platinkatalysatoren als Aktivmaterial ausgewählt, um systematische Variationen der Oberflächenchemie der Katalysatorteilchen und deren Einfluss auf die Morphologie der katalytischen Schicht und damit auf dessen elektrokatalytische Eigenschaften untersuchen zu können. Die Oberflächenmodifizierung wurde durch chemische Behandlungen erreicht, wobei elektrostatische Ladungen unterschiedlicher Stärke auf die Kohlenstoffoberfläche aufgebracht wurden. Durch Anwendung einer Vielzahl von oxidativen Behandlungen wurden die kolloidalen Eigenschaften der Katalysatordispersionen abgestimmt und eingestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die kolloidchemischen Eigenschaften der Katalysatordispersionen nicht nur die Mikrostruktur der resultierenden katalytischen Schichten, sondern auch deren elektrokatalytische Leistung entscheidend beeinflussen. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass es keine universellen Behandlungsparameter gibt. Die oxidativen Bedingungen müssen individuell auf den jeweiligen Katalysator und das jeweilige Verfahren zur Herstellung der katalytischen Schicht abgestimmt werden, um eine optimale Mikrostruktur und eine verbesserte katalytische Leistung zu erzielen. Die in dieser Dissertation vorgestellten experimentellen Verfahren liefern nützliche Richtlinien für die einfache Herstellung von elektrokatalytischen Schichten mit optimierten Eigenschaften, die aus Katalysatordispersionen hergestellt werden, mit potenzieller Anwendung in der Brennstoffzellen-Technologie.