Synthesis of palladium-nickel bimetallic nanoparticles on Graphene support : an electrocatalyst for ethanol fuel cell

Abstract

Direct ethanol fuel cell (DEFC) is a device that generates an electric current through electro-oxidation of ethanol as a fuel. The electro-oxidation reaction occurs at the anode electrode of the cell and is facilitated by electrocatalyst of noble metal type- platinum (Pt) or palladium (Pd). In this work, we synthesized composite material of palladium concave nanocubes (PdCNs), nickel hydroxide nanoparticles (Ni(OH)2) and reduced graphene oxide (rGO), named as Pd-Ni(OH)2/rGO composite. The composite was coated on glassy carbon electrode and employed as an anode in an electrochemical cell. Electrocatalytic performances of the composites were determined by measuring electro-oxidation of ethanol in alkaline solution in a cyclic voltammetry mode. The best result, obtained from Pd-Ni(OH)2/rGO with 10 %wt Pd loading on GO and 40 %wt Ni loading on Pd/rGO, exhibited an electrochemical current of 1,460.15 mA/mg Pd. Excellent performances of the Pd-Ni/rGO can be attributed to active 'edge atoms' of the PdCNs and facilitating effects from Ni(OH)2 that yields outstanding electrocatalytic activity to ethanol oxidation.

เซลล์เชื้อเพลิงเอทานอลโดยตรงเป็นอุปกรณ์ที่อาศัยหลักการทางไฟฟ้าเคมีในการเปลี่ยนพลังงานเคมีของเอทานอลให้เป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันของเอทานอลที่บริเวณขั้วแอโนดของเซลล์เชื้อเพลิง โดยอาศัยโลหะมีสกุลเช่น แพลทินัมและพาเลเดียม ในการเร่งปฏิกิริยาดังกล่าว ในงานวิจัยนี้ ทางนักวิจัยได้ทาการสังเคราะห์วัสดุร่วมระหว่างอนุภาคนาโนของโลหะพาเลเดียมทรงสี่เหลี่ยมเว้ากับนิกเกิลไฮดรอกไซด์บนวัสดุรองรับรีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์ ด้วยกระบวนการทางเคมี ตลอดจนศึกษาประสิทธิภาพและเสถียรภาพของวัสดุคอมโพสิตในการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของเอทานอลในสารละลายเบสโดยใช้เซลล์ไฟฟ้าเคมี 3 ขั้ว และใช้กระบวนการไซคลิกโวลทาเมทรีในการศึกษา พบว่าวัสดุร่วมที่ใช้ปริมาณการใส่พาเลเดียมบนแกรฟีนออกไซด์และนิกเกิลไฮดรอกไซด์บนพาเลเดียมรีดิวซ์แกรฟีนออกไซด์เท่ากับ 10 และ 40 เปอร์เซ็นต์โดยน้าหนัก ตามลาดับ ให้กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ 1,460.15 มิลลิแอมแปร์ต่อมิลลิกรัมของพาเลเดียม อันเป็นผลมาจากความไวต่อปฏิกิริยาในบริเวณขอบของอนุภาคพาเลเดียมทรงสี่เหลี่ยมเว้าและความสามารถในการช่วยเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาของนิกเกิลไฮดรอกไซด์ ตัวเร่งชนิดนี้จึงมีแนวโน้มที่จะสามารถนาไปประยุกต์ใช้ในขั้วแอโนดของเซลล์เชื้อเพลิงเอทานอลได้