Synthesis and inkjet printing of palladium-nickel nanocatalyst alloys for ethanol electro-oxidation

Pollution is one of the biggest problem of the XXI century, all over the world companies and research institutes are searching to find suitable solutions to eradicate the exploiting of fossil fuels. Among different technology as photovoltaic, wind technologies and biomass exploiting, in the last decades fuels cells have attracted a considerable interest, these devices oxidize a fuel in order to produce current. Although the hydrogen fuel cell are more popular, this fuel is not cheaply produced, for this reason other fuels are taken in account as methanol and ethanol. In this work were analyzed solutions toward the development of a direct ethanol fuel cell. In the literature is meanly reported the usage of platinum as a catalyst, in this research was analyzed the use of palladium, a cheaper element that differently from platinum present its best catalytic yielding in alkaline environments, giving the possibility to develop suitable alloys palladium base that do not go under corrosion. The goal of this thesis work was to assess the feasibility of the production of a suitable nanomaterial based on activated carbon black and nickel-palladium alloy nanoparticles printable by inkjet printing technology on carbon foils (flexible graphite) substrate in order to produce a direct ethanol fuel cells anodes, but potentially exploited in ethanol electrochemical sensing. The catalytic nanoparticles were synthetized by a polyol process base on ethylene glycol, in such a way to nucleate alloy nanoparticles on carbon black, improving the conductive behaviors and the attachment of the particles on the substrate after printing. A suitable ink was developed, mixing deionized water and diaceton alcohol, in order to print on carbon foils substrates, balancing the good dispersion on the nanomaterial in water and the small contact angle of diaceton alcohol on the substrate. Finally, the anodes were produce exploiting an inkjet technology, proving the electrode ability to oxide ethanol.

L’inquinamento è uno dei più grandi problemi che affligge il XXI secolo, società a istituti di ricerca da ogni parte del mondo sono alla ricerca di possibili soluzioni per eradicare l’uso delle risolse fossili. Fra differenti tecnologie come il fotovoltaico, l’eolico e lo sfruttamento delle biomasse, negli ultimi decenni le celle combustibili hanno attratto su di sé un considerevole interesse, questi dispositivi ossidano un combustibile ottenendo direttamente dell’energia sotto forma di corrente elettrica. Sebbene le celle a combustile a idrogeno siano le più conosciute, questo combustibile è a tutt’oggi costoso da produrre, per questa ragione sono stai presi in esame come metanolo e etanolo. In questo lavoro sono stati analizzate soluzioni orientate allo sviluppo di una cella a combustibile a etanolo. In letteratura è riportato per la maggior parte l’uso di platino come catalizzatore, in questa ricerca viene analizzato l’uso del palladio, un elemento meno costoso che a differenza del palatino presenta la sua migliore risposta catalitica in ambienti basici, dando la possibilità di sviluppare leghe basate sul palladio non soggette a fenomeni di corrosione. L’obbiettivo di questa tesi è esaminare la fattibilità di produrre un nano materiale composto da carbon black attivato e nanoparticelle in lega di nickel palladio, stampabile attraverso tecnologia inkjet su substrati flessibili di grafite, per la realizzazione di un anodo per celle a combustibili a etanolo, ma potenzialmente utilizzabile come sensore elettrochimico per la rilevazione di etanolo. Il catalizzatore nanostrutturato è stato sintetizzato a partire da un processo riducente basato sul glicole etilenico, in modo da nucleare le nanoparticelle di catalizzatore sulle particelle di carbon black, incrementando la conducibilità e l’adesione sul substrato dopo la stampa. È stato sviluppato un inchiostro miscelando acqua acqua deionizata e alcol diacetonico, in modo da stampare sul substrato in carbonio, bilanciando la buona dispersione del nanomateriale in acqua e il piccolo angolo di contatto del alcol diacetonico del substrato. In fine l’anodo è stato realizzato attraverso la stampa inkjet, dimostrando la sua efficacia nel ossidare l’etanolo.