Oxidkeramische Materialien sind zunehmend von praktischem Interesse für neue Technologien, die in Brennstoffzellen, Sensoren und Ionentransport-Membranen Anwendung finden. Einige dieser Oxide mit Perowskitstruktur ABO3 zeigen hohe Ionen- und Elektronenleitung, ausreichende chemische Stabilität sowie thermisch-mechanische Eigenschaften, wie sie für die Anwendung als Sauerstofftransportmembran benötigt werden. Oxidionentransport erfolgt über einen Oxidionen-Leerstellenmechanismus. Die charakteristische Schwierigkeit für die Anwendung solcher Materialien besteht aber darin, dass die gestellten Forderungen wie hoher Ionentransport und hohe Stabilität sich diametral gegenüberstehen. In dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Struktur und Stöchiometrie der ferritischer und cobaltitischer Mischoxide und den Transporteigenschaften sowie der thermischen Ausdehnung durchgeführt. Erstmalig wurden thermodynamische und kinetische Parameter von Reihen von Oxiden in einem weiten Bereich von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck systematisch bestimmt. Aus den Ergebnissen konnten Empfehlungen gegeben werden für die Zusammensetzung von Perowskitoxiden, die zum Aufbau von Sauerstofftransportmembranen unter bestimmten pO2/T-Bedingungen geeignet sind.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The innovation and investigation of catalysts in proton exchange membrane fuel cells are included in this thesis. In the first part of this work, stability of the catalyst support of PEMFC catalyst is investigated. Nanoscale platinum particles were loaded on two different kinds of carbon supports, nano graphene sheets and functionalized carbon black/graphene hybrid were developed by the liquid phase reaction. The crystal structure of two kinds of catalysts was characterized by X-ray diffractometer (XRD). The morphology and particle size were characterized by scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). Pt loading was measured by thermal gravimetric analysis (TGA). The Brunauer, Emmett and Teller (BET) method was applied to test the surface area of the catalysts. The electrochemical surface area (ECSA) and mass activity during oxygen reduction reaction (ORR) process for two kinds of catalyst were tested by cyclic voltammetry method under different conditions. The stability of the catalysts were tested by accelerated durability test (ADT). The results show that although the mass activity of Pt/graphene is much lower, the stability of it is much better than that of the commercial catalyst. After adding functionalized carbon black (FCB) as spacer, the stability of the catalyst is preserved and at the meantime, the mass activity becomes higher than 20% Pt/XC72 catalyst. The lower mass activity of both catalysts are due to the limitation of the electrolyte diffusion into the carbon support because of the aggregation nature of graphene nano-sheets. After introducing functional carbon black as spacer, the mass activity and ECSA increased dramatically which proved that FCB can be applied to prevent the restacking of graphene and hence solved the diffusion problem. In the meantime, the durability was still keeping the same as Pt/graphene catalyst. In the second part of the work, the restacking problem was solved by introducing FCB as spacers between functionalized graphene nanosheets. The same measurement was applied to test the electrochemical performance of Pt/FCB/FG catalyst. The new catalyst showed a higher mass activity compared to Pt/graphene catalyst which meant the restacking problem was partially solved. The durability of the Pt/FCB/FG catalyst was still excellent.

Ce travail porte sur l'amélioration de la sélectivité préférentielle d'une membrane cationique à base d’ETFE pour une utilisation en électrodialyse afin de traiter des effluents industriels contenant un mélange d’acides et de sels métalliques. Pour cela, nous avons fait appel à la méthode de la modification chimique de la surface d’une membrane cationique par la formation d’un film superficiel mince portant des charges positives afin de former une barrière de répulsion électrostatique pour des cations bivalents tout en permettant le passage de cations monovalents tels que les protons.<p>La synthèse de la membrane cationique de base a été réalisée en passant par différentes étapes à savoir :le greffage du styrène - divinylbenzène (DVB), la chlorosulfonation et l’hydrolyse. <p>Au cours de ce travail, nous avons mis au point un protocole de greffage du styrène-DVB dans le film d’ETFE qui permet l’obtention d’un film ayant un taux de greffage reproductible assurant à la membrane cationique finale une bonne conductivité électrique et une capacité d’échange acceptable pour une membrane d’électrodialyse. Une étude de la réaction de greffage en fonction de la concentration en réticulant a été réalisée. <p>Nous avons procédé par la suite à la modification de la surface du film d’ETFE greffé styrène-DVB par la formation d’une couche superficielle mince fixée par des liens covalents. Les membranes modifiées ont été obtenues par la réaction d’une seule face du film d’ETFE greffé chlorosulfoné avec la 3-diméthylaminopropylamine. La modification chimique de la surface du film ETFE greffé chlorosulfoné a été suivie par la technique FTIR-ATR. L’effet de la concentration de la diamine sur les propriétés électrochimiques des différentes membranes modifiées a été étudié. La résistance électrique des membranes modifiées équilibrées au contact de solutions de chlorure de sodium et d'acide sulfurique a été mesurée par la technique d’impédance. La détermination du nombre de transport du proton et de l’ion sodium a été réalisée à partir de mesures du potentiel de membrane. La densité de courant limite des membranes a été évaluée sur base des courbes courant-tension. Les mesures de chronopotentiométrie ont été également effectuées sur les différentes membranes synthétisées.<p>Les résultats de ces caractérisations montrent que la modification de la surface engendre des changements considérables au niveau des propriétés électrochimiques des membranes résultantes. La résistance électrique, la densité de courant limite ainsi que les propriétés de transport de la membrane dépendent d’une part de la concentration de la diamine utilisée et d’autre part de la solution dans laquelle la membrane modifiée est équilibrée. <p>La sélectivité préférentielle des différentes membranes vis-à-vis des protons par rapport aux ions bivalents a été testée en réalisant des électrodialyses d’un milieu mixte H2SO4-NiSO4. Nos résultats montrent que la modification chimique de la surface de la membrane affecte d’une manière significative le transport des ions nickel tout en respectant le passage des protons. Une meilleure séparation a été obtenue pour une membrane modifiée en utilisant la diamine pure.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished