An Investigation of HOR Activity in Alkaline Solution on Nickel Electrode
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2598832Utgivelsesdato
2018Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Å finne nye og bærekraftige energikilder er av stor betydning ettersom befolkning, teknologisk utvikling og forbruk øker. Brenselcelle (FC)-teknologi har blitt grundig undersøkt de siste tiårene, og regnes som en av fremtidens mest lovende fornybare og bærekraftige energikilder.
Målet med dette studiet var å undersøke egenskaper og kinetikk hos hydrogenoksidasjonsreaksjonen (HOR) i den alkaliske brenselcellen ved bruk av polykrystallinske platinum- og bulknikkel elektroder. Syklisk voltammetri (CV) og elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) ble utført for å undersøke egenskaper som pH-avhengighet, hydrogenevolusjon og ladningsoverføringsresistens (Rct). EIS-målinger viste en nedgang i R c t med økende polarisasjon under 0 V, og en økning i Rct med økende polarisasjon over 0 V. Effekten av rotasjon ble undersøkt, men ga motstridende resultater. Den totale Rc t var mye lavere for Pt sammenlignet med Ni, som var som forventet fra katalytiske egenskaper. Videre evaluering og undersøkelse av dataene må gjennomføres. Forslag legges i videre arbeid. Ved utførelse av CV på Pt-elektroden ble det funnet bevis på hydrogenutvikling ved 0 V, da toppen ved dette potensialet ble undertrykt ved rotasjon av elektroden. Gjennom studier utført på Ni-elektroden ble det funnet ut at HOR-aktivitet var best fremmet i H2(g) mettet 0.1M KOH ved lave skannehastigheter. Det ble også funnet at hydrogenevolusjonen øker ettersom startpotensialet til CV-skanningen ble satt til mer negative potensialer. Rotasjon av elektroden viste signifikant effekt i 0.1M KOH, men hadde ingen effekt i 1M KOH. Teorien bak hydrogenbindende energi (HBE) ble brukt til å forklare rotasjonseffekten og pHavhengigheten, men denne teorien er ennå ikke bevist, og ytterligere arbeid må utføres.
Kinetikken til HOR ble undersøkt ved en simulering av CV-kurver i MATLAB basert på en kinetiskHOR-modell, begge laget av professor Svein Sunde. Verdifull informasjon som hastighetskonstanter, reaksjonshastigheter og dekningsgrad kan hentes fra simuleringen, noe som gir en myebedre forståelse av HOR kinetikken. Imidlertid viste det seg å være vanskelig å oppnå en perfektpassform til de eksperimentelle dataene. Videre forbedring av simuleringen er nødvendig førønskede dataene kan bli samlet. Et forslag til hvordan man løser dette er gitt i videre arbeid. Finding new and sustainable energy sources is of great importance as the population, technological advancement, and consumption is ever increasing. Fuel cell (FC) technology has been thoroughly investigated the past decades, and is considered to be one of the most promising renewable and sustainable energy sources of the future.
The objective of this study was to investigate the properties and kinetics of hydrogen oxidationreaction (HOR) in the alkaline fuel cell, using polycrystalline platinum and bulk nickel electrodes. Cyclic Voltammetry (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was conducted to investigate properties such as pH dependence, hydrogen evolution and charge transfer resistance (Rct). EIS measurements showed a decrease in Rc t with increasing polarization below 0 V and an increase in Rc t with increasing polarization above 0 V. The effect of rotation was investigated, but gave contradicting results. The overall Rct was much lower on Pt compared to Ni, which was as expected due to catalytic properties. Further evaluation and investigation of the data must be conducted. Suggestions are put in further works. When conducting CV’s on Pt electrode, proof of hydrogen evolution was found at 0 V, as the the peak at this potential was suppressed with rotation. During studies conducted on the Ni electrode, it was found that HOR activity was best promoted in H2(g) saturated 0.1M KOH at low scan rates. It was also found that hydrogen evolution increases as the stating potential of the CV scan is set to more negative potentials. Rotation of the electrode showed significant effect in 0.1M KOH, but did not have any effect in 1M KOH. The theory behind hydrogen binding energy (HBE) was used to explain the rotation effect and the pH dependence, however this theory is yet to be proven and further work must be conducted.
The kinetics of HOR was investigated by a simulation of CV curves in MATLAB based on a kinetic HOR model, both made by Professor Svein Sunde. Valuable information like rate constants, reaction rates, and coverage can be extracted from the simulation, giving a much better understanding of the HOR kinetics. However, it proved to be difficult achieving a perfect fit to the experimental data. Further improvement of the simulation is necessary before collecting the much desired data. A suggestion on how to solve this is provided in further works.