Dukungan Katalis Anoda Ditingkatkan Menggunakan Nanofibra Karbon TiO₂ untuk Sel Bahan Bakar Metanol Langsung
Abstrak
Studi ini melaporkan dukungan TiO₂–nanofibra karbon (TiO₂‑CNF) baru untuk katalis anoda platinum–rutenium (PtRu) dalam sel bahan bakar metanol langsung (DMFC). TiO₂‑CNF diproduksi melalui jalur sol‑gel/elektrospinning, diikuti dengan karbonisasi suhu tinggi. Pengujian elektrokimia komparatif terhadap katalis PtRu pada dukungan hitam karbon konvensional (C), nanofibra karbon (CNF), dan nanopartikel TiO₂ menunjukkan bahwa TiO₂‑CNF menghasilkan kepadatan arus puncak sebesar 345,64 mA mg⁻¹ PtRu (≈5,5 × lebih tinggi dari PtRu/C) dan kepadatan daya yang hampir dua kali lipat dari katalis PtRu/C komersial. Performa unggul ini dikaitkan dengan luas permukaan tinggi, dispersi PtRu yang seragam, dan interaksi sinergis antara TiO₂ dan matriks nanofibra.
Latar Belakang
Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC) menarik untuk daya portabel dan stasioner karena kepadatan energi tinggi, berat ringan, dan operasi suhu ruang. Namun, komersialisasi terbatas oleh kinetika oksidasi metanol yang lambat, racunan katalis, silang metanol, dan tantangan daya tahan. Platinum tetap menjadi katalis paling efektif untuk reaksi oksidasi metanol (MOR), tetapi biaya tinggi dan masalah toleransi CO mendorong pencarian dukungan dan sistem logam dua yang lebih efisien.
Logam dua PtRu mengurangi racunan CO dengan mempromosikan oksidasi CO, namun performa masih sangat bergantung pada bahan dukungan. Hitam karbon konvensional menyediakan konduktivitas tinggi tetapi menderita luas permukaan terbatas dan interaksi logam–dukungan yang lemah. Dukungan nanostruktur yang muncul—seperti nanofibra karbon (CNF), nanowakbu karbon (CNT), dan logam oksida—menawarkan luas permukaan yang ditingkatkan dan potensi sinergi elektronik. Dioxid titanium (TiO₂) kimiawi stabil, non‑toksik, dan dapat meningkatkan aktivitas katalitik melalui jalur transfer elektron, tetapi konduktivitas rendah adalah kelemahan yang dapat diatasi dengan menggabungkannya dengan matriks karbon konduktif.
Dalam karya ini, kami menggabungkan TiO₂ dengan CNF untuk menciptakan dukungan komposit yang memanfaatkan luas permukaan tinggi CNF dan manfaat katalitik TiO₂, dengan tujuan mengurangi muatan PtRu sambil meningkatkan aktivitas MOR.
Metode
Bahan
Titanium isopropoksida, poly(vinyl asetat), dimetilformamida, dan reagen lainnya digunakan sesuai terima. PtRu (rasio atom 1:1) ditetapkan pada dukungan melalui reduksi kimia dengan NaBH₄. Dukungan termasuk TiO₂‑CNF sintesis laboratorium dan hitam karbon komersial, CNF, serta serbuk nano TiO₂.
Persiapan TiO₂‑CNF
Larutan PVAc/DMF 11,5 wt % dicampur dengan 50 wt % TiPP, etanol, dan asam asetat. Pakan homogen di-elektrospin (16 kV, jarak 18 cm) pada 0,1 mL h⁻¹, dikeringkan, kemudian dikalsinasi pada 600 °C selama 2 jam dalam N₂ untuk menghasilkan CNF yang terkandung TiO₂.
Pencatatan PtRu
Dukungan di-sonikasi dalam campuran air/IPA 1:1, kemudian prekursor Pt dan Ru ditambahkan dan diaduk. Setelah penyesuaian pH ke 8 dan pemanasan ke 80 °C, NaBH₄ ditambahkan secara tetes. Bubuk PtRu/TiO₂‑CNF yang dihasilkan dicuci, dikeringkan, dan digiling menjadi bubuk halus.
Karakterisasi
XRD (D8 Advance, 40 kV/20 mA) mengungkapkan fase anatase TiO₂ dan fase kubik PtRu. Analisis BET (Micromeritics ASAP 2020) menunjukkan luas permukaan 50,6 m² g⁻¹ untuk TiO₂‑CNF. SEM/TEM mengonfirmasi dispersi PtRu yang seragam (~7 nm partikel) pada kerangka nanofibra. ECSA dihitung dari CV dalam 0,5 M H₂SO₄, menghasilkan 10,4 m² g⁻¹ PtRu untuk TiO₂‑CNF.
Pengujian Elektrokimia
CV (20 mV s⁻¹, 0–1,1 V vs. Ag/AgCl) dan kronoamperometri (0,5 V, 3600 s) dilakukan dalam 2 M metanol/0,5 M H₂SO₄. Selaput Nafion 117 dan backing kain karbon membentuk MEA, dengan muatan katalis 2 mg cm⁻². Performa sel tunggal diukur pada suhu ruang dengan umpan metanol 3 M.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Struktural
TiO₂‑CNF menunjukkan puncak karakteristik anatase pada 25°, 38°, dan 48°, mengonfirmasi preservasi struktur kristal TiO₂ setelah kalsinasi. Komposit PtRu/TiO₂‑CNF menampilkan puncak tambahan pada 39,7°, 46,2°, 67,5°, dan 81,3° yang sesuai dengan Pt, sementara puncak Ru muncul pada 40,7°, 47°, 69°, dan 83,7°. Ukuran kristalit (Debye–Scherrer) adalah 4,6–9,8 nm untuk PtRu, 19–38 nm untuk TiO₂, dan 10–19 nm untuk C.
Data BET mengungkapkan luas permukaan yang modest untuk TiO₂‑CNF (50,6 m² g⁻¹) dibandingkan PtRu/C (≈140 m² g⁻¹), tetapi distribusi mesoporos (diameter pori rata-rata 22–33 nm) mendukung difusi reaktan yang efisien.
Performa Elektrokimia
Kurva CV menunjukkan kepadatan arus puncak sebesar 345,64 mA mg⁻¹ PtRu untuk TiO₂‑CNF, 5,54 × lebih tinggi dari PtRu/C (62,5 mA mg⁻¹). Rasio puncak maju/mundur (>4,7) menunjukkan toleransi CO yang luar biasa. Analisis Tafel menghasilkan kepadatan arus pertukaran sebesar 0,501 mA cm⁻², yang paling tinggi di antara dukungan yang diuji.
Kronoamperometri menunjukkan penurunan hanya 5 % setelah 3600 s, mengonfirmasi stabilitas yang baik. Dalam pengujian sel tunggal, anoda TiO₂‑CNF mencapai kepadatan daya puncak sebesar 3,8 mW cm⁻² versus 2,2 mW cm⁻² untuk PtRu/C komersial, mewakili peningkatan 1,66 ×.
Kesimpulan
Dukungan TiO₂‑CNF, yang diproduksi melalui sol‑gel/elektrospinning dan karbonisasi suhu tinggi, memberikan performa katalis anoda yang unggul dalam DMFC. Luas permukaan tinggi, dispersi PtRu yang seragam, dan interaksi sinergis TiO₂/CNF menghasilkan kepadatan arus 5,5 × lebih tinggi dan kepadatan daya 1,7 × lebih tinggi dari PtRu/C komersial. Temuan ini memposisikan TiO₂‑CNF sebagai dukungan anoda yang menarik dan hemat biaya untuk aplikasi DMFC di masa depan.
