ผลของอิเล็กโทรไลต์ในการชุบต่อองค์ประกอบและกัมมันตภาพโออาร์อาร์ของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมแพลทินัมโคบอลต์

Abstract

งานวิจัยนี้ได้ศึกษาการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมแพลทินัมโคบอลต์ (PtCo) ด้วยวิธีการพอกพูนโดยไฟฟ้าบนผ้าคาร์บอน โดยศึกษาผลของสารละลายที่ใช้ในการพอกพูนประกอบด้วย ชนิดของตัวช่วยในการนำไฟฟ้า (H2SO4, Na2SO4 และ NaCl) ค่าความเป็นกรด (pH) และความเข้มข้นของเกลือแพลทินัม (0.004 ถึง 0.01 โมลต่อลิตร) และเกลือโคบอลต์ (0.1 ถึง 0.2 โมลต่อลิตร) ในสารละลาย ต่อองค์ประกอบและสัณฐานวิทยาของตัวเร่งปฏิกิริยาที่พอกพูนได้ โดยใช้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าในการพอกพูนแบบคงที่ ที่ 10 และ 20 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร โดยพยายามเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมแพลทินัมโคบอลต์ให้ได้องค์ประกอบอยู่ในช่วงกว้างที่สุด (0 ถึง 100 ร้อยละโดยอะตอมแพลทินัม) สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิง ผลจากการศึกษาพบว่า ค่าความเป็นกรดของสารละลายที่ใช้ในการพอกพูนส่งผลต่อองค์ประกอบของตัวเร่งปฏิกิริยาที่พอกพูนได้ประมาณ ร้อยละ 7 โดยเมื่อปรับ pH ให้มีค่าต่ำลงเป็น 2.6 (จาก pH ธรรมชาติ) ของตัวช่วยในการนำไฟฟ้าแต่ละชนิด และพบว่าชนิดของตัวช่วยในการนำไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญต่อช่วงขององค์ประกอบตัวเร่งปฏิกริยาโลหะผสมแพลทินัมโคบอลต์ที่พอกพูนได้ โดยเมื่อใช้ NaCl เป็นตัวช่วยในการนำไฟฟ้า ที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าในการพอกพูน 20 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร จะให้องค์ประกอบ Pt:Co ที่กว้างกว่าตัวช่วยในการนำไฟฟ้าชนิดอื่น โดยองค์ประกอบของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมแพลทินัมโคบอลต์ที่เตรียมได้คือ Pt78Co22 Pt55Co45 Pt45Co55 Pt24Co76 Pt21Co79 Pt13Co87 Pt11Co89 Pt10Co90 และ Pt8Co92 ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมแพลทินัมโคบอลต์ที่องค์ประกอบ Pt8Co92 มีพื้นที่ผิวในการเกิดปฏิกิริยาต่อปริมาณแพลทินัมสูงที่สุด (ประมาณ 1443 ตารางเมตรต่อกรัมแพลทินัม) เทียบกับองค์ประกอบอื่นรวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมบริสุทธิ์ (ประมาณ 743 ตารางเมตรต่อกรัมแพลทินัม) แต่จะให้พื้นที่ผิวในการเกิดปฏิกิริยาโดยรวมต่ำที่สุด และจากการศึกษากลไกในการเกิดปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนโดยพิจารณาจากความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าจำเพาะทางจลนพลศาสตร์พบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมแพลทินัมโคบอลต์ทุกองค์ประกอบที่พอกพูนได้มีวิถีทางการเกิดปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนเป็นแบบ 4 อิเล็กตรอน โดยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสม Pt78Co22 มีความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าจำเพาะทางจลนพลศาสตร์ (ประมาณ 131.53 ไมโครแอมแปร์ต่อตารางเมตร) สูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมทุกองค์ประกอบรวมทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมบริสุทธิ์ (105.67 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร) แสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสม Pt78Co22 มีกัมมันตภาพจำเพาะในการเร่งปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนสูงที่สุด และมีศักยภาพในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจน สามารถนำไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงแทนแพลทินัมบริสุทธิ์