Razvoj novih membran in elektrod na osnovi grafena za uporabo v etanolovih gorivnih celicah

Blaž

O PROJEKTU

Šifra projekta:                    N2-0087

Trajanje projekta:      1. januar 2019 – 31. december 2021

Vsebina projekta:

Po desetletjih raziskav in razvoja so gorivne celice stopile na trg prenosnih, transportnih in stacionarnih aplikacij za napajanje, ki zahtevajo visoko zanesljivost in učinkovitost. Vendar so visoki materialni stroški preprečili široko uporabo teh celic, zaradi česar je bila povečana pozornost posvečena alkalnim etanolnim gorivnim celicam (DAEFC), pri čemer se katalizatorji, ki vsebujejo plemenite kovine, lahko uporabljajo skupaj s široko dostopnim etanolom. Ena izmed pomembnih plasti v DAEFC je anionska izmenjevalna membrana (AEM), ki je glede na način ionske prevodnosti znotraj strukture polimerov razvrščena v dve skupini: polielektrolitske membrane in alkalijske polimerne membrane. Na žalost pa so njihovi visoki stroški, nerazpoložljivost in nerešena inženirska vprašanja, kot je visoko prehajanje etanola, nestabilnost v delujočem okolju gorivne celice, še vedno ovira za komercialno proizvodnjo DAEFC. V zadnjem času je bil trajnostni biopolimerni hitozan spremenjen tako, da tvori derivate, v katerih so bile kvartarne amonijeve skupine zasidrane v hitozansko matriko, da tvorijo AEMs, in nato so bile uporabljene v DAEFC. Definitivno pa CS in drugi naravni polimeri, pridobljeni iz obnovljivih proizvodov (tj.. odpadki morskih proizvodov iz kozic, rakov,..) imajo prednosti v proizvodnji, zaradi nizkih stroškov in okoliškega vidika. Uporaba katalizatorjev, ki niso Pt, v DAEFC ponuja stroškovno ugodnost v primerjavi z kislinsko protonsko izmenjevalno membrano, zaradi česar je DAEFC potencialno poceni tehnologija v primerjavi s kislinskimi membranami v gorivnih celicah. Najučinkovitejša katalizatorja za reakcijo etanolne oksidacije (EOR) in zmanjšano reakcijo kisika (ORR) v alkalnih medijih sta se izkazala paladij (Pd-(Ni-Zn)/C) in katalizatorji na osnovi železa-kobalta (FeCo). Nizki stroški, široka razpoložljivost ter velika površina, visoka električna prevodnost in razumna stabilnost v težkih okoljih, naredi ogljikove materiale zanimive, tako kot podporo katalizatorjem kot tudi prosto kovinske katalizatorje.

V okviru našega projekta bomo izvedli nekaj inovacij in sicer i) bomo funkcionalizirali površine GO nanodelcev z kvartarnimi amonijevimi skupinami, ii) z dopiranjem dušika bomo učinkovito prilagajali lastnosti grafena in ga potencialno lahko uporabili v različnih aplikacijah, iii) kot podporni material ogljika bomo uporabili grafen in funkcionaliziran grafen, saj bosta tako izboljšala reakcijsko kinetiko in stabilnost elektrod DAEFC prav tako bomo tudi iv) analizirali delovanje na novo pripravljenih elektrod v kombinaciji z grafenom na osnovi kompozitne membrane nanomateriala v testnih celicah.

Cilj našega projekta se je zaradi ogromne potrebe po energiji in prekomerni uporabi fosilnih goriv, kjer je razvoj obnovljivih virov ključnega pomena za trajnostno rast, usmeriti na gorivne celice, ki so opredeljene kot ena od ključnih tehnologij za industrijo čiste energije v prihodnosti, ampak obstajajo tri tehnične ovire, ki omejujejo njihov predor na trg: izvedba (aktivnost), trajnost (stabilnost) in stroški. Pri eksperimentalni izvedbi želimo izboljšati učinkovitost gorivnih celic ter anodne izmenjevalne membrane, poleg tega se želimo osredotočiti na izboljšanje dolgoročne stabilnosti membrane. Da bi zmanjšali stroške, pa si želimo zasnovati katalizator z nizkimi plemenitimi kovinskimi nakladanji in sicer, bi uporabili bogate in poceni elemente, ki bi nadomestili drago Pt na anodnem katalizatorju.

PROJECT PHASES:

The project is divided into several work packages (WP):

WP1: Functionalization of graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) nanosheets

WP2:    Design of stable and flexible nanohybrid membranes

WP3:    Membranes characterization

WP4:    Development of membrane electrode assemblies with advanced electrode materials

WP5:    Project coordination & Information

PUBLICATIONS (1.1.2019-1.1.2020)

Original scientific article

  • Cermenek, B., Genorio, B., Winter, T. et al. Alkaline Ethanol Oxidation Reaction on Carbon Supported Ternary PdNiBi Nanocatalyst using Modified Instant Reduction Synthesis Method. Electrocatalysis 11, 203–214 (2020).
  • Samsudin AM and Hacker V. Preparation and Characterization of PVA/PDDA/Nano-Zirconia Composite Anion Exchange Membranes for Fuel Cells. Polymers (Basel). 2019 Aug 26;11(9). pii: E1399. doi: 10.3390/polym11091399.
  • V pripravi.

Professional article

Published scientific conference contribution abstract

  • HREN, Maša, OSMIĆ, Azra, CERMENEK, Bernd, HACKER, Viktor, STANA-KLEINSCHEK, Karin, BOŽIČ, Mojca. Laminated nanofibrillated cellulose nanopaper with chitosan polymer layer as anion exchange membranes for ethanol fuel cell applications. V: Abstract book. 6th EPNOE International Polysaccharide Conference, 21st-25th October 2019, Aveiro, Portugal. [COBISS.SI-ID 22731030])
  • HREN, Maša, STANA-KLEINSCHEK, Karin, BOŽIČ, Mojca. Composite anion exchange membranes from modified nanofibrillated cellulose and chitosan polymer for ethanol fuel cell applications. V: PINTAR, Albin (ur.). Zbornik povzetkov = Book of abstracts. 25th Annual Meeting of the Slovenian Chemical Society, 25.-27. september 2019, Maribor, Slovenija. Ljubljana: Slovensko kemijsko društvo, 2019. Str. 138. ISBN 978-961-93849-6-1. [COBISS.SI-ID 22680086])
  • HRIBERNIK, Silvo, BOŽIČ, Mojca, GORGIEVA, Selestina, DEVALLANCE, David Brian. Design of bio based carbonaceous fibrous structures as catalysts in fuel cells. V: CIGOLOTTI, Viviana (ur.). European Fuel Cell: conference & exhibition. 8th European Fuel Cell, Piero Lunghi Conference, Naples, 9-11 December 2019. Rome: ENEA Italian National Agency for new technologies, energy, and sustainable economic development, 2019. Str. [259-260] (efc19159). ISBN 978-88-8286-386-9. [COBISS.SI-ID 22916118])

PROJECT GROUP:

Project leader (ARRS): Assis. prof. dr. Selestina Gorgieva. (SICRIS)

Participating research organizations and researchers:

University of Maribor, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science

Assist. prof. dr. Selestina Gorgieva (SICRIS)

Dr. Silvo Hribernik,. (SICRIS)

Azra Osmič (UM), mag. kem.

Maša Hren (UM), mag. inž. kem. teh

University of Ljubljana, Faculty of Chemistry and Chemical Technology

Assist. prof. dr. Boštjan Genorio (SICRIS)

Mark Kozamernik

Graz University of Technology, Institute of Chemical Engineering and Environmental Technology

Prof. dr. Viktor Hacker, Eng. Dr. techn. (TUGRAZ)

Sigrid Wolf

Michaela Roschger

Asep Samsudin

Project is funded by Slovenian Research Agency