Plasmachemische Erzeugung und oberflächenanalytische Untersuchungen von Eisen- und Kobalt-haltigen Katalysatoren für Brennstoffzellen Steffen Müller Volker Brüser 9. März 2011
Brennstoffzelle Wie funktionierte eine Brennstoffzelle? Umwandlung chemischer in elektrische Energie hoher Wirkungsgrad Anode: H 2 2H + +2e Kathode: O 2 +4e 2O 2 gesamte Zelle: O 2 +4e +4H + 2H 2 O beide Reaktionen benötigen Katalysatoren standardmäßig ist dies Platin Problem: geringe Fördermengen, hoher Preis Ziel: kostengünstige, edelmetallfreie Katalysatoren finden Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 1
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 2 Ziel der Untersuchung mittels Plasmaprozess Katalysator für ORR produzieren Verwendung von Eisen- bzw. Kobalacetat adsorbiert auf Kohlenstoffträger (2 gew.-%) Acetat kostengünstiger Metallpräkursor einfache Struktur/ einfach abzubauen Kohlenstoff für Brennstoffzelle; aufgrund der el. Leitfähigkeit Strukturformel von Eisen(II)acetat; Fe(CO 2 CH 3 ) 2
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 3 Experimenteller Aufbau
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 4 Prozessparameter Substrate: 100 mg Eisenacetat sowie Eisenacetat bzw. Kobaltacetat auf Vulcan XC 72 (20 mg) Behandlungszeit: 15 min Druck: 10Pa Gase: Argon und Stickstoff (50 sccm) Prozessanalyse: Thermosonde, Langmuirsonde Substratanalyse: FTIR, XRD, XPS, EDX, CV
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 5 Langmuirsondenmessung Argon Stickstoff ne[10 12 cm 3 ] ne[10 10 cm 3 ] Te[eV] Plasmaleistung[W] Plasmaleistung[W] Druck 10Pa
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 6 Thermosondenmessung Argon Stickstoff Energieeinstrom[kW m 2 ] Temperatur[ ] Plasmaleistung[W] Plasmaleistung[W] Druck 10Pa
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 7 FTIR Analyse des Fe(CO 2 CH 3 ) 2 Argonbehandlung Absorption[a.u.] unbehandelt 450W 600W 750W Wellenzahl[cm 1 ] ab 750 W keine Acetatbanden vorhanden bei 600W nur noch die Bande der C O Bindung zu sehen
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 7 FTIR Analyse des Fe(CO 2 CH 3 ) 2 Stickstoffbehandlung Absorption[a.u.] unbehandelt 450W 600W 750W Wellenzahl[cm 1 ] ab 600 W keine Acetatbanden vorhanden bei 450W nur noch die Bande der C O Bindung zu sehen
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 8 XRD Analyse des Fe(CO 2 CH 3 ) 2 Argonbehandlung Intensität[a.u.] 600W 450W 300W 150W unbehandelt 2θ[ ] ab 450 W Eisenoxide bei 450W 6% Fe 2 O 3 und 94% Fe 3 O 4 bei 600W 8% Fe 2 O 3 und 92% Fe 3 O 4
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 8 XRD Analyse des Fe(CO 2 CH 3 ) 2 Stickstoffbehandlung Intensität[a.u.] 600W 450W 300W 150W unbehandelt 2θ[ ] ab 450 W Eisenoxide bei 450W 0% Fe 2 O 3 und 100% Fe 3 O 4 bei 600W 10% Fe 2 O 3 und 90% Fe 3 O 4
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 9 XPS Analyse des Fe(CO 2 CH 3 ) 2 Elementverhältnisse bzgl. des Eisens für die stickstoffbehandelten Substrate Elementverhältnisse unbehandelt 80W 150W 300W 450W 600W 750W g C/Fe g O/Fe g N/Fe
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 10 EDX Analyse des Fe(CO 2 CH 3 ) 2 Elementverhältnisse bzgl. des Eisens für die stickstoffbehandelten Substrate Elementverhältnisse unbehandelt 80W 150W 300W 450W 600W 750W g C/Fe g O/Fe g N/Fe Beschleunigungsspannung 2 kv
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 11 XPS Analyse der Katalysatoren Elementanteile für die stickstoffbehandelten Substrate Elementanteil[XPS %] unbehandelt 80W 150W 300W 450W 600W 750W g C g O g Fe g N
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 12 XRD Analyse der Katalysatoren Stickstoffbehandlung Intensität[a.u.] 750W 600W 450W 80W unbehandelt 2θ[ ] ab 600 W Hämatit, kein Magnetit bei 600W 2,1% bei 750W 3,6% Partikelgröße beträgt etwa 4 nm
Zyklovoltammetrie Voltammogramm in N 2 gesättigter H 2 SO 4 in O 2 gesättigter Strom[µA] H 2 SO 4 Spannung[V] Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 13
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 14 CV Analyse der FeAc-Katalysatoren Vergleich Argon- und Stickstoffbehandlung Argon Stickstoff Spannung[V] Plasmaleistung[W]
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 15 CV Analyse der CoAc-Katalysatoren Vergleich Argon- und Stickstoffbehandlung Argon Stickstoff Spannung[V] Plasmaleistung[W]
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 16 Zusammenfassung durch Plasmabehandlung lässt sich die katalytische Aktivität bezüglich der ORR steigern Energieeintrag nicht alleine entscheidend, Plasmachemie wichtig entscheidend ist Stickstoffeinbau hohe Plasmaleistung bed. bessere Aktivität Stickstoffradikale bzw. Stickstoffionen notwendig Kobalt- und Eisenacetat zeigen ähnlichen Trend bzgl. der Stickstoffbehhandlung bei Argonbehandlung unterscheiden sich die Acetat deutlich
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 17 Danksagung Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Steffen Müller, Oberflächentechnologie mit Plasma- und Ionenstrahlprozessen, 9. März 2011 18 Contact Leibniz Institute for Plasma Science and Technology Address: Felix-Hausdorff-Str. 2, 17489 Greifswald, Germany Phone: +49-3834 - 554 300, Fax: +49-3834 - 554 301 E-mail: welcome@inp-greifswald.de, Web: www.inp-greifswald.de