グリセロール燃料電池の電気酸化用の新しい陽極PdAu / VGCNF触媒の性能の向上

背景

化石燃料などの従来のエネルギー源は限られており、いつかは枯渇するでしょう。化石燃料の消費は依然として必要ですが、燃料として使用する可燃性物質は、将来のエネルギー需要を満たすのに十分な速さで交換することはできません[1、2]。燃料電池は、水素と酸素を組み合わせて電気、熱、水を生成する有望な再生可能エネルギー技術です。以前は、水素が燃料電池の基本燃料として使用されていました。残念ながら、水素の取り扱いと保管が難しいため、水素をエネルギー担体として液体燃料に置き換え、水素を燃料電池に供給するためのさらなる研究が必要です[3]。

初期の研究では、メタノールはその高いエネルギー密度と単純な分子構造のために、燃料電池で使用される最も一般的な燃料でした。しかし、主な焦点は環境に優しい材料にシフトしています。したがって、メタノールは毒性が高いため、燃料としては使用できません[4]。さらに、アノードに供給される燃料として、メタノールは非効率的な酸化、低い開回路電位、およびアノードからカソードへのクロスオーバーの制限を示します[5]。したがって、メタノールの問題を回避するために、グリセロールは燃料電池で使用するための有望な候補となっています。バイオディーゼルの主要製品であるグリセリンが豊富で、エネルギー密度が高く、毒性が低いため、このアルコールは燃料電池用途の優れた代替燃料になります[6]。

グリセロールの複雑な分子構造と酸化プロセスにおける多数の中間種は、燃料電池でのグリセロールの使用を妨げる主要な障壁です。したがって、触媒と反応条件の選択は、望ましい結果を確実にするために重要です。グリセリンの酸化には、酸化反応中の速度論的制約を克服するために、酸性媒体ではなくアルカリ性媒体が使用されてきました[7]。アノードでは、触媒が燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための基盤を提供します。パラジウムベースの材料はアルカリ性媒体中で効率的な陽極材料であるため、この研究では、蒸気成長カーボンナノファイバー（VGCNF）に担持されたバイメタルPdAuナノ粒子をグリセロール酸化の触媒として使用します。凝集する傾向が高いPdAuナノ粒子自体の特性により、触媒担体の使用は、触媒の性能、利用率、および寿命を改善するために非常に重要になります[8]。さらに、10〜200 m ² の範囲の機械的強度と表面積に加えて、 g ^-1 、VGCNFは、格子領域と基底領域に多数のエッジを持つ独自の構造を持っており、金属と支持体の相互作用のための表面を提供します[9、10]。担体材料としてのVGCNFの存在は、金属触媒の分散と電極触媒性能の両方を改善する可能性があります[11]。

アルコールの電気酸化の電解質温度とNaOH濃度への依存性は、いくつかの研究で調査されています。 Tripković、Štrbac、およびPopović[10]は、温度を295から333 Kに上げると、PtおよびPtRu触媒のMOR活性が増加することを指摘しました。 HabibiとRazmi [12]は、修飾カーボンセラミック電極に担持された調製済みのAu、Pd、およびPtナノ粒子について、0.5Mから6.0Mの範囲のNaOH濃度と25°Cから80°Cの範囲の温度の影響を研究しました（ CCE）。著者らは、NaOHの濃度と温度がグリセロールの酸化に直接影響することを報告しました。触媒の負荷もアルコールの酸化性能に影響します。基本的に、特にグリセロールなどの複雑な分子の場合、アルコール酸化に対する触媒負荷の影響を減らすことは重要な課題です。多くの研究[13]は、エタノールとグリセロールの酸化用に10 wt。％から20 wt。％のPd / CおよびPdAu / C金属触媒を開発しました。エタノールやグリセロールなど、酸化中に多くの中間反応メカニズムを伴うポリアルコールは複雑であるため、より低い触媒負荷を使用することは困難です。

これらの観察は、グリセロール酸化の反応条件に関するこの最適化研究に影響を与えました。 PdAu / VGCNFを使用したグリセロール酸化の性能に対する電解質温度、NaOH濃度、および触媒負荷の影響を、応答曲面法（RSM）によって分析しました。その結果、一度に1つのパラメーターを変更することにより、実験データから予測モデルが生成されました。 RSMは、実験計画に適用される統計手法であり、実験を戦略的に計画および実行し、それによってグリセロール酸化の操作条件を最適化するために必要な実験の数を減らすために使用されます。 RSMは、実験データへの多項式の適合に基づく数学的および統計的手法のコレクションです[14、15]。 RSMの使用は、変数間のインタラクティブな効果を含む可能性があり、最終的にはパラメーターがプロセスに与える全体的な効果を表すため、より実用的です[16]。合金化された電極触媒の動作条件については、非常に限られた研究しか行われていません。さらに、PdAu / VGCNF触媒を使用したアルカリ性媒体でのグリセロール酸化のハーフセル性能のRSM最適化はこれまで研究されていません。ほとんどの研究は、単一セルのパフォーマンスに焦点を合わせています。ただし、ハーフセルテストでのパラメータの最適化は、シングルセル操作に適用できるベンチマークを提供する場合があります。

実験的

材料と化学物質

すべての前駆体金属塩および塩化金（III）三水和物（HAuCl ₄ などの化学試薬） ・3H ₂ O）、塩化パラジウム（PdCl ₂ ）、クエン酸三ナトリウム（Na ₃ Ct）、水素化ホウ素ナトリウム（NaBH ₄ ）、カーボンナノファイバー、水酸化ナトリウム、グリセリン、2-プロパノール、および5 wt。％Nafion溶液は、Sigma-Aldrich / USAから購入しました。

インストルメンテーション

電気触媒の物理的分析には、X線回折（XRD）、電界放出走査型電子顕微鏡（FESEM）、エネルギー分散型X線（EDX）分光法、透過型電子顕微鏡（TEM）などの手法を使用して電気触媒を調べました。結晶化、構造、形態、元素組成、サイズ、および原子分布。 XRDは、結晶性材料の相を識別するために使用されます。この作業で使用される機器は、40kVおよび40mAのCuKα放射線源を備えたBrukerD8Advance回折計です。電極触媒のスキャンは、2°min ^-1 の速度で実行されます。 30°から90°の間。シェラーの式は、粉末中の結晶性粒子のサイズを決定するために使用されます。ナノ構造触媒の地形および元素情報は、エネルギー分散型X線分光器を備えたGemini SEM 500電界放出型走査電子顕微鏡を使用して取得しました。この顕微鏡は、3次元画像を提供し、サンプルの元素組成に関する情報を提供します。分析。透過型電子顕微鏡（TEM）は、120kVで動作するPhilipsCM12顕微鏡を使用して実行されました。分析前に、サンプル触媒を超音波浴のエタノールに30分間入れました。

触媒合成

この研究で使用された電極触媒を合成するための方法論的アプローチは、還元と含浸に基づく混合技術です[17]。これは、蒸気成長カーボンナノファイバー（VGCNF）に担持されたPdAuバイメタル合金の形成を可能にする最も簡単な方法です。電極触媒の合成は、2mlのPdCl ₂ から始まりました。 （0.05 M）7 mlの塩化金（III）三水和物（HAuCl ₄ ・3H ₂ O）（0.012 M）。混合溶液を一定量のクエン酸三ナトリウム（0.5 M）に滴下しました。クエン酸三ナトリウムは、固体粒子と溶媒の間の表面張力を低下させることにより、ナノ粒子の凝集を制御する安定剤として機能します。続いて、混合溶液を攪拌したVGCNFスラリー（イソプロパノール+ DI水）に滴下し、3時間攪拌しました。金属前駆体の還元は、過剰量の新たに調製した氷冷（0.5 M）水素化ホウ素ナトリウム（NaBH ₄ ）、そして溶液を一晩撹拌した。より長い反応時間は、その強力な還元能力を有する水素化ホウ素ナトリウムが生成物と反応することを可能にする。 NaBH ₄ のモル比 金属イオンに対しては5〜15であり、これにより、PdAuバイメタル合金ナノ粒子の触媒分散と表面組成が向上します。溶液をマグネチックスターラーで一晩保持し、ろ過し、DI水で数回洗浄してすべての溶媒を除去し、80°Cで10時間乾燥させました。 VGCNFに担持された電極触媒PdAuバイメタル合金の調製では、金属負荷を10 wt。％から30 wt。％の間で変化させました。

サイクリックボルタンメトリーテスト

電極触媒の電気化学的分析のためにサイクリックボルタンメトリー実験を行った。サイクリックボルタンメトリー測定は、Autolab（PGSTAT101）電気化学ワークステーションを使用して室温で実施しました。触媒インクは、5 mgの電極触媒を蒸留水、イソプロピルアルコール、および5 wt。％Nafion®の混合物に溶解して調製しました。電極触媒インクの2.5μlアリコートをマイクロピペットを使用してグラッシーカーボン電極に堆積させ、室温で乾燥させました。電極触媒の電気化学的特性評価は、50 mVs ^-1 のスキャン速度で、1 M NaOH中-0.8〜0.4 Vの電位範囲でサイクリックボルタンメトリー（CV）テストによって実行されました。 0.5Mグリセロール/0.5MNaOH溶液中。 NaOH電解質の濃度と温度は、それぞれ0.5〜6.0 Mと25〜80°Cで変化しました。両方の溶液は、N ₂ でバブリングすることによって脱酸素化されました。 200ml分で ^{− 1} グリセロール酸化反応の測定を行う前に30分間。

実験計画

Design Expert 8.0を使用した中央複合設計（CCD）を実行して、PdAu / VGCNF電極触媒を使用したグリセロール酸化反応の最適化係数を決定しました。 CCDは、十分な数の実験データポイントが存在する場合に、適合性の欠如について妥当な量の情報をテストできるようにする、順次実験用の設計ツールです[18]。この作業で使用される3つの要素と範囲は、表1に示されています。これには、NaOH電解質濃度、電解質温度、および金属負荷が含まれます。応答は、サイクリックボルタンメトリー分析から得られたグリセロール酸化ピーク電位での電流密度として設定されました。

触媒は、表2にリストされているように、階乗、軸方向、および中心点を含む合計20の実験を実行して、組み合わせ計画行列を使用して最適化のために準備されました。実験データは、式（1）で表される2次多項式回帰モデルに適合しました。 1：

ここで Y 予測される応答変数です。 n 変数の数です。およびβ ₀ 、β _i 、β _ii 、およびβ _ij は、それぞれ線形パラメーター、2次パラメーター、および交互作用パラメーターの係数です。上記の多項式モデルの確実性は、決定係数 R によって推定できます。 ² 。実験シーケンスは、体系的なエラーを回避するためにランダム化されました。

結果と考察

触媒の物理的特性

VGCNFでサポートされているPdAu合金の形成を確認するために、選択したサンプル（サンプルRun-15）をXRDで分析しました（図1を参照）。図1に示すように、26.0°を中心とする最初の回折ピークは、生のVGCNFのグラファイト構造炭素、特に六角形のグラファイトの（002）回折面に割り当てることができます（JCPDSカード番号41–1487）[10 ]。 2番目のピークは、単一の面心立方（fcc）相に対応し、PdとAuが高度に合金化されて、高度に合金化されたPdAuバイメタル合金ナノ粒子を形成していることを示しています。サンプルは、fcc構造の（111）、（200）、（220）、および（311）面に対応する39.06°、45.14°、66.17°、および79.60°にXRDピークを示します。 PdAuバイメタル合金のXRDパターンは、Fm3m空間群およびJCPDSカード番号96-151-0339の粉末回折データにインデックスを付けることができます。第２の金属、すなわち、Ａｕの添加は、第２の金属とＰｄとの相互作用のために、回折ピークをより低い値にシフトさせる。さらに、両方のサンプルのXRDピークは、サイズが小さい（ナノスケール）ため、短く幅が広くなっています。結晶子サイズは、シェラーの式を使用して推定されました。これは、Run-15サンプルの結晶子サイズが4.5nmであることを示しています。

サンプルRun-15のXRDパターン

VGCNFでサポートされているPdAu粒子の形態を調査するために、FESEMを使用してサンプルを観察しました。図2aでは、VGCNFでサポートされているPdAu粒子は、VGCNFで中程度の凝集度を示しており、その形状を区別するのは困難です。触媒サンプル内の元素組成分布は、図2bに示すEDXによって測定されました。 PdCl ₂ の比率が ：HAuCl ₄ ・3H ₂ 供給溶液中のOは1：1であり、のPd：Au元素比は55:44であると決定され、これは予想される比に近い。これにより、間違いなくPdおよびAuナノ粒子の存在が確認され、飼料溶液中の2つの金属塩の存在とよく一致しました。

a FESEM画像と b サンプルRun-15のEDXデータ

図3は、PdAu / VGCNFのTEM画像を示しています（サンプルRun-15）。サンプルの画像は、PdAuナノ粒子がVGCNFによく分布しており、凝集および凝集した混合物に小さな粒子サイズがあることを示しています。凝集した粒子は硬い凝集体を形成しませんが、ファンデルワールス力と毛細管接着力によって弱く付着した一次粒子からなる柔らかい凝集体を形成します[19]。これは、粒子間の長距離磁気双極子相互作用が原因である可能性があります。さらに、この結果は、溶媒蒸発中の毛細管力に起因するTEMサンプル前処理の乾燥ステップでも観察されました[20]。粒度分布のヒストグラムの範囲は2.5〜9.5 nmで、平均直径は4.5±1.0nmです。これらの値は、XRD分析から得られた結晶子サイズに近いものです。

サンプルRun-15のTEM画像

最適化調査

表2は、グリセロール酸化反応のピーク電位での電流密度応答を示しています。グリセロール酸化のピーク電位での電流密度は、式（1）で与えられる2次多項式回帰によってモデル化されます。 1.式から得られた適合要約モデルの統計結果。 1を表3に示します。2次多項式回帰のモデリングを使用して、調整および予測されたR ² を最大化します。 値。表3に示すように、2次モデルの調整済み R が最も高くなります。 ² 予測された R ² 値と最低の p 値。

表4は、グリセロール酸化反応の電流密度の分散分析（ANOVA）の結果を示しています。モデルのp値は<0.0001であり、これはモデルが有意であることを示しています[21]。この研究に使用された要因、すなわち、NaOH濃度、電解質温度、および触媒負荷はすべて、グリセロール酸化反応のモデルにおいて重要です。モデルの R も高い ² 決定係数（値0.9859）は、モデルが観測データによく適合し、応答の変動が0.0141％しかないことを示しています。経験的モデルは適切であり、モデルに R がある場合、モデルのパフォーマンスが良好であることを示します。 ² 少なくとも0.75の値[22]。適合性の欠如のp値は0.0844であり、0.05より大きくなります。これは、表4に示すように、モデルが適切に適合し、パラメータと出力応答の間に有意な相関関係があることも示しています[23]。予測された R 間のギャップ ² 調整された R ² は0.3以下です。これは、重要でない項が2次モデルに干渉しないことを意味します。自由度（ F test）のモデルの値は4303.03です。これは、モデルが重要であり、この大きな F の確率が0.01％しかないことを意味します。 ノイズにより値が発生する場合があります。コード化された因子モデルは、式（1）で得られた2次モデルに適合するように開発されました。 2;

図4aは、スチューデント化残差の正規確率プロットを示しています。プロットは、データポイントがほぼ線形であることを示しており、誤差項で望ましい正規性を示しています。図4bは、実際の応答データと、グリセロール酸化反応の酸化ピークでの予測電流密度のプロットを示しています。予測電流密度と実験電流密度のプロット（mAcm ^-2 ）は、回帰モデルに完全に適合し、操作変数の範囲で観測された密度とよく一致しています。図5は、生データの残差と予測値のプロットを示しています。このプロットは、モデルの妥当性を確認するために使用されます。図5では、標準化された残差と実行順序のプロットは、残差が直線に沿ってランダムに分散していることを示しています。この結果は、元の観測値の分散がすべての応答値で一定であることを示しています。

a 応答曲面法（RSM）におけるスチューデント化残差の正規確率プロット。 b グリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度の実際の応答データと予測データ

生データの残差と予測のプロット

インタラクティブパラメータのさまざまな条件下でのグリセロール酸化のパフォーマンス

図6、7、8、および9は、PdAu / VGCNF触媒によるグリセロール酸化の酸化ピークでの電流密度の輪郭プロットを、金属触媒負荷（wt。％）およびNaOH電解質濃度（M）の関数として示しています。 25〜80°Cの範囲のさまざまな電解質温度。図6aは、電解質温度を25°Cに設定した場合の等高線図を示しています。図6aに示すように、NaOH濃度と金属触媒の負荷が増加すると、電流密度はわずかに増加します。ただし、22 wt。％を超える金属触媒の負荷では、電流密度が低下します。等高線図は、25°Cで達成される最大電流密度が120 mAcm ^-2 であることを示しています。 。この電流密度では、18〜24 wt。％の金属触媒負荷と5.5〜6.0MのNaOH濃度が必要です。 30°Cでのグリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度の等高線図の同じパターンが図6bで観察されます。電流密度は、24 wt。％を超える金属負荷で減少する傾向があります。 130 mAcm ^-2 の場合、高電流密度の領域が発生します。 。この領域には、5.0〜6.0 MのNaOH濃度と、18 wt。％〜24 wt。％の金属触媒負荷が必要です。 25°Cと30°Cの両方で同様の高電流密度に達することができますが、グリセロール酸化反応の酸化ピークの高電流密度を得るには、NaOH濃度を5.0Mに下げる必要があります。

電解質温度（ a ）での金属触媒負荷（wt。％）およびNaOH濃度（M）の関数としてのグリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度のプロット ）25°Cおよび（ b ）30°C

電解質温度（ a ）での金属触媒負荷（wt。％）およびNaOH濃度（M）の関数としてのグリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度のプロット ）40°Cおよび（ b ）50°C

電解質温度（ a ）での金属触媒負荷（wt。％）およびNaOH濃度（M）の関数としてのグリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度のプロット ）60°Cおよび（ b ）70°C

グリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度のプロット（ a ）電解質温度80°Cおよび（ b ）での金属触媒負荷（wt。％）およびNaOH濃度（M）の関数として ）20 wt。％の金属触媒負荷での電解質温度（°C）とNaOH濃度（M）の関数として

図7aは、電解質温度40°Cでのグリセロール酸化反応の酸化ピークの電流密度の輪郭プロットを示しています。この温度で達成できる最大電流密度は150mA / cm ² 、130 mA / cm ² とは対照的 30°Cで達成。 30°Cの電解質温度と比較すると、金属負荷は16〜29 wt。％の範囲で、NaOH濃度は1.50〜6.0 Mの範囲であり、130 mA / cm ² が得られます。 電解質温度が40°Cの場合の電流密度。ただし、5.0〜6.0 Mの範囲のNaOH濃度を使用し、金属触媒の負荷を2 wt。％（20〜24 wt。％）減らすと、150 mA / cm ² の最高電流密度が達成されます。 40°Cの電解質温度で; 30°Cの温度では、わずか130 mA / cm ² の電流密度を達成できます。 。電解質の温度を30°Cから40°Cに変更すると、グリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度が増加します。

電解質温度をさらに50°Cに上げたときのグリセロール酸化反応の酸化ピークの電流密度の等高線図を図7bに示します。この温度での最大電流密度は162mA / cm ² です。 、ただし面積は小さく、金属触媒の負荷とNaOH濃度はそれぞれ21〜22 wt。％と5.75〜6.0Mである必要があります。 50°Cの電解質温度で、同じ範囲の金属触媒負荷（20〜24 wt。％）を使用すると、NaOH濃度が0.5 M（4.5〜6.0 M）シフトし、160 mA / cm 2 。温度の影響により、同じ範囲の金属触媒負荷とNaOH濃度で電流密度が高い値に増加します。

図8a、b、および9aは、それぞれ60、70、および80°Cでのグリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度の等高線図を示しています。図8aでは、電流密度の最大値は165 mAcm ^{− 2} です。 161 mAcm ^{− 2} の電流密度を示す70および80°Cでの電流密度と比較して、60°Cで および150.4mAcm ^{− 3} 、 それぞれ。 PdAu / VGCNF触媒は、60°Cでのグリセロール酸化反応の酸化ピークで最高の電流密度を取得します。 60°Cを超える温度では、電流密度が低下します。図8aでは、最高の電流密度を得るのに必要なNaOH濃度は5.0〜5.5 Mの範囲です。ただし、160 mA / cm ² の電流密度を得るには この研究で見つかった最低濃度である3Mという低いNaOH濃度が必要です。 70°Cの電解質温度での最大電流密度は、161 mA / cm ² に減少します。 、NaOH濃度の範囲は約4.0〜5.0 Mです。温度を80°Cまで上げると、最大電流密度が150.4 mA / cm ² に低下します。 また、NaOH濃度は3.5〜4.0Mの範囲です。

60〜80°Cの範囲の温度で最高の電流密度を得るのに必要な金属触媒の負荷は同じで、約20〜24 wt。％のようです。金属の負荷をさらに増やすと、電流密度が低下するだけです。同じ条件が他の温度にも適用されます。金属触媒の負荷を24wt。％以上に増やすと、グリセロール酸化反応の活性部位がブロックされる可能性があります。触媒は活性であり、触媒の表面へのグリセロールの吸着を可能にします。ただし、担体上の触媒金属の量を考慮する必要があります。高い触媒負荷は、大量の炭素担体のために燃料電池触媒層の厚さに影響を及ぼします。さらに、金属負荷を増やすと、電気化学的に活性な表面積（EASA）の飽和に寄与する可能性があります[24]。これは、サポートが存在する場合でも、Pdが凝集する可能性が高いことが原因である可能性があります。したがって、金属の負荷が高いと、ナノ粒子の凝集の程度が高まり、多孔性が低下します。これにより、物質移動が制限され、触媒活性が低下する可能性があります[25]。温度と触媒負荷が同時に増加すると、電流密度の減少によりPdAu合金粒子がクラスター化し、PdAu触媒のレドックスメタル化反応の反応速度が非常に速いため、質量活性が制限される可能性があります[26 ]。図9bは、電解質温度とNaOH濃度の関数として、20 wt。％の金属触媒負荷でのグリセロール酸化反応の酸化ピークでの電流密度を示しています。金属触媒の負荷定数を20wt。％に設定することにより、電解質の温度とNaOH濃度を変化させて、最適な電流密度を得ることができます。

電流密度の増加は、拡散係数、反応物の物質移動、および反応速度の改善による電解質の温度に起因します。熱が導入されると、グリセロール分子はより速く移動するため、アノード触媒へのより高速なグリセロール輸送が可能になります。ただし、温度を65°C以上に上げても、電流密度に大きな影響はありませんでした。より正確には、中間種の形成により電流密度が停滞し、活性部位をブロックして触媒の性能を低下させる可能性があります[27]。これは、一定の電解質温度で増加したNaOH濃度でも観察されます。電流密度は123.33mAcm ^{− 2} に増加します 図9bに示すように、NaOH濃度6.0 M、温度25°Cで。 OH ^- が増加するため、電流密度が増加します。 アルカリ電解質環境での濃度は、より大きなOH ^- を引き起こす可能性があります 触媒表面の被覆。 OH ⁻ の存在 触媒活性部位へのグリセロールの吸着を促進し、OH ^- を増加させます 特定の値に濃縮すると、触媒部位へのグリセロールの吸着が防止され、グリセロール酸化の反応速度が低下します[28]。図9bは、温度とNaOH濃度がそれぞれ80°Cと6.0Mに近づくと電流密度が減少することを示しています。一般に、触媒の性能は、温度と電解質濃度の上昇とともに向上します。ただし、ある時点で、これら2つの動作条件が電流密度に悪影響を及ぼします。温度とNaOH濃度が高すぎると、アノード触媒上の活性層の被覆率が高くなり、セルの性能が低下します[27]。最高電流密度は164mAcm ^{− 2} です。 、NaOH濃度6.0 M、温度60°Cで記録。

確認テスト

RSMモデルを検証し、モデルが実際のシステムに適切に近似していることを確認するために、2つの追加の確認実験が実施されました。温度、NaOH濃度、触媒負荷について選択した条件を、予測結果と実験結果とともに表5に示します。図10は、開発したモデルの精度を検証するために実行された実験を示しています。予測値と実験値を比較し、誤差のマージンは許容範囲内でした。最大電流密度164.10mAcm ^{− 2} サイクリックボルタンメトリーテスト中に、NaOH濃度6.0 M、温度50°C、触媒負荷20 wt。％で記録されました。これらの条件は、触媒のグリセロール酸化性能に影響を与え、最高の電流密度を生み出しました。 2番目の条件セットでは、NaOH濃度と温度を最小値に設定し、NaOH濃度を0.5 M、温度を45.21°C、触媒負荷を20 wt。％にしました。実験で達成された最大電流密度は143.94mAcm ^{− 2} でした。 。電流密度はわずかに低くなりましたが、システムは最小限の運用コストで実行できます。さらに、温度を下げると、システムの熱またはエネルギーが減少します。エネルギー使用量を削減すると、運用コストが直接削減されます。 1つの最適な条件である5.24MのNaOH濃度、60°Cの温度、12 wt。％の最小触媒負荷により、158.34 mAcm ^{− 2} の電流密度が得られました。 グリセロール酸化中。最適化前に使用した条件と比較して、触媒の負荷を最大8％最小化でき、電流密度を40％以上増加させることができます（図10）。最適な条件のために選択されたパラメータは、単一セルの操作に適しています。表6は、Pdベースの触媒と以前の研究で使用した触媒との比較を示しており、いくつかの反応パラメータを最適化した後、PdAu / VGCNF触媒を使用すると、グリセロールの酸化が著しく強化されることを示しています。

（ a の電流密度のプロット ）最大条件と最小条件および（ b ）反応条件の最適化の前後

結論

中央複合設計を使用した応答曲面法は、多変数手順の調査と最適化のための強力な方法です。この研究では、Design Expert RSMツールが20の実験を生成し、サイクリックボルタモグラムテストを介して、温度、NaOH濃度、および触媒負荷がグリセロール酸化反応の電流密度に及ぼす影響を分析しました。 F によると 分散分析（ANOVA）評価の値、NaOH濃度、および電解質の温度は、応答に大きな影響を及ぼしました。高温は、グリセロール反応の反応速度を改善しました。一方、NaOH濃度が高いとOH ^- が得られました グリセロール酸化反応を促進したイオン。 158.34 mAcm ^{− 2} の最高電流密度を条件とする最良の発現または最適条件 は、NaOH濃度、温度、および触媒負荷がそれぞれ5.24 M、60°C、および12 wt。％であることがわかりました。結論として、RSMを使用して分析メソッドを最適化すると、触媒としてPdAu / VGCNFを使用した場合に、グリセロール酸化の最適条件が検証され、正常に決定されました。