PdCFe/C 觸媒之製備方式與電化學活性測試實驗之配置

本研究主要於商用鈀金屬觸媒中添加不同量之非貴重過渡金屬之 方式合成觸媒粉體並藉由同步輻射光源解析觸媒粒子之微結構變化。

因不同合成方法對於載體上金屬粒子之分布情況及觸媒之活性有顯著 影響，故本研究選擇與文獻製備觸媒相同之合成法—含浸法，藉以降 低因合成方法不同所造成之影響。

本研究首先以商用鈀金屬觸媒(Pd/C 20 wt% loading)為前驅物並且 以鈀金屬之含量為計量基準加入不同量之硝酸鐵水溶液使觸媒粉體之 鈀鐵莫耳比分別為7：3、8：2 及 9：1，混合完成之溶液以超音波震盪 方式震盪之粉體完全均勻分散；其後將均勻混和溶液置於烘箱中空氣 氣氛下持溫 80℃蒸乾溶劑。此時原本存於硝酸鐵水溶液中之鐵前趨物 將存留於觸媒粉體之表面，藉研磨方式將粉體研磨均勻後將粉體置於 船型坩鍋中並且於 5% H2/N2氣氛下以升溫速率 5℃/min 升溫至 500℃

並持溫 5 小時進行退火處理五小時以利合金觸媒之形成；其後以 5℃/min 之降溫速率降溫至室溫，最後將製得之觸媒置入樣品瓶中密封 保存，步驟如下圖2.2.1 所示。

圖 2.2.1 PdCFe/C 觸媒製備流程圖 秤取商用Pd/C觸媒並置入燒杯中

混和溶液於超音波震盪器中震盪至觸媒完全分散 滴加特定莫耳比例之硝酸鐵溶液以含浸商用Pd/C觸媒

於空氣氣氛下持溫80℃烘乾

刮下固體粉末並以研砵研膜均勻

粉體置於船型坩堝中於氫氣(5％ H₂/N₂)氣氛下退火5小時

2.2.2 PdCFe/C 觸媒沉積金單層製備方式

由於 PdCFe/C 觸媒主要係以鈀金屬為主體晶格並於中摻雜鐵金屬 以調控觸媒本身之電子效應(electronic properties)及幾何效應(geometric properties)，於 PdCFe/C 三元觸媒中所摻雜之非貴金屬與鈀金屬相比其 抗酸能力較差於酸性電解質下操作其將因酸蝕作用而流失並壞其本體 結構。此外，燃料電池之操作需於觸媒層上施加偏壓以利催化反應進 行此操作將更加速觸媒本體之流失及破壞，故為改善觸媒之抗酸能 力。本研究嘗試以還原方法於觸媒外層包附金單層以期於維持觸媒源 有之催化活性下增加期抗酸能力以增加觸媒之使用效率。

本研究分別以含浸法(impregnation method)及逐滴添加法(drop by drop method)製備 PdCFe/C 觸媒，於含浸法方面：本研究係將 PdCFe/C 70:30 觸媒先行分散於 0.1 M 抗壞血酸溶液中，並且以超音波震盪以使 PdCFe/C 觸媒吸附抗壞血酸，其後以抽去過濾將多餘之抗壞血酸溶液 移除，最後將已吸附抗壞血酸溶液之 PdCFe/C 觸媒粉體置入亞硫酸金 溶液中以將金粒子還原於PdCFe/C 上以製得 Au/PdCFe/C 觸媒；逐滴加 入法方面，本研究係將PdCFe/C 觸媒先行分散於 0.1 M 抗壞血酸溶液 中，並以超音波震盪分散，其後將觸媒溶液改以磁攪拌並於觸媒溶液 中 逐 滴 加 入 亞 硫 酸 金 溶 液 以 將 金 粒 子 還 原 於 PdCFe/C 上 製 得 Au/PdCFe/C 觸媒。實驗詳細步驟如圖 2.2.2 及圖 2.2.3 所示。

圖 2.2.2 含浸法製備 Au/PdCFe/C 觸媒流程圖 秤取適量PdCFe/C觸媒並以超音震盪分散於抗壞血酸溶液中

將觸媒粉體直接投入亞硫酸金溶液中進行金單層還原及吸附 待分散及含浸完成後以抽氣過濾將觸媒粉體分離

以去離子水清洗包附金單層之觸媒粉體

於30℃烘乾

圖 2.2.3 逐滴添加法製備 Au/PdCFe/C 觸媒流程圖 秤取適量PdCFe/C觸媒並分散於抗壞血酸溶液中

逐滴添加亞硫酸金水溶液

以去離子水清洗包附金單層之觸媒粉體

於30℃烘乾

超音波震盪