การสังเคราะห์แพลทินัมโคบอลต์บนคาร์บอนในรูปแบบ core-shell เพื่อใช้ในปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ขั้วแคโทดของเซลเชื้อเพลิงแบบเยื่อเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

Abstract

งานวิจัยนี้นี้มีวัตถุประสงค์ เพื่อศึกษาสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบโลหะคู่ที่มีโครงสร้างแบบแกนกลางและเปลือกหุ้มของโลหะแพลทินัม-โคบอลต์บนตัวรองรับคาร์บอนเพื่อใช้ในปฏิกิริยาออกซิเจนรีดักชั่น โดยใช้วิธีการเตรียม 2 วิธี ได้แก่ การเติมโลหะโคบอลต์บนคาร์บอนด้วยวิธีแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตที่แข็งแรง พบว่าโคบอลต์มีการกระจายตัวอย่างดีบนคาร์บอน โดยมีขนาดผลึกเฉลี่ย 1.6 นาโนเมตร ที่ปริมาณโคบอลต์เป็นร้อยละ 5.0 โดยน้ำหนัก และการพอกพูนโลหะแพลทินัมบนโคบอลต์ด้วยวิธีการพอกพูนแบบไม่ใช้ไฟฟ้า สัดส่วนของการปกคลุมโลหะแพลทินัมบนโคบอลต์ ที่ 0.75, 1.0, 1.5 และ 2.0 โมโนเลเยอร์ ใช้สารละลายกรดคลอโรแพลทินิค (H2PtCl6) เป็นสารตั้งต้น, ไดเมธิลเอมีนโบเรน (DMAB) เป็นสารรีดิวซ์ และโซเดียมซิเตรตเป็นสารปรับเสถียร ปริมาณไดเมธิลเอมีนโบเรนต่อโซเดียมซิเตรตต่อคลอโรแพลทินิคแอนไอออน คิดเป็น 5:5:1 โดยโมล ค่าความเป็นกรด-ด่างที่ 10 อุณหภูมิห้อง จากการทดลองพบว่าปริมาณแพลทินัมที่พอกพูนบนโคบอลต์ที่สัดส่วนปกคลุมทางฤษฎี 0.75, 1.0, 1.5 และ 2.0 โมโนเลเยอร์ ในหน่วยร้อยละโดยน้ำหนักเป็นดังนี้ 5.5, 7.2, 10.9 และ 15.2 ตามลำดับ การวิเคราะห์โครงสร้างและขนาดผลึกด้วยเครื่องเอกซ์เรย์ดิฟแฟรคชันพบว่าขนาดผลึกเฉลี่ยแพลทินัมประมาณ 2.0-2.5 นาโนเมตร และพบโครงสร้างแบบอัลลอยด์ ส่วนการวิเคราะห์โครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเครื่องกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (STEM) พบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม-โคบอลต์บนตัวรองรับคาร์บอนเกิดโครงสร้างแบบแกนกลางและเปลือกหุ้มในการวิเคราะห์สมบัติทางเคมีไฟฟ้าพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยา 0.75 โมโนเลเยอร์ให้ค่า ECSA สูงสุดที่ 128.6 ตารางเมตร ต่อกรัมแพลทินัม ในการทดสอบการเร่งปฏิกิริยา ORR พบว่าค่า Mass activity ของตัวเร่งปฏิกิริยาทุกตัวในรูปแบบแกนกลางเปลือกหุ้มสูงกว่า 20%Pt/C (E-Tek) และตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม โคบอลต์ที่มีแพลทินัมพอกพูน 1.5 โมโนเลเยอร์ให้ค่า Surface activity สูงสุดที่ 0.056 แอมแปร์ต่อตารางเมตร ถือว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยา ORR ได้ดีที่สุด นอกจากนี้ยังพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม โคบอลต์รูปแบบแกนกลางเปลือกหุ้มมีความคงทนต่อสภาวะการป้อนโหลดแบบ cyclic ไม่มีการลดลงของประสิทธิภาพการทำงาน และไม่พบการหลุดร่อนจากขั้วไฟฟ้า