Birçok bimetalik nano parçacık arasında Pd-Cu nano parçacıkları hidrojenasyon, yanma ve CO oksidasyonu gibi birçok reaksiyon için katalitik malzeme olarak yoğun bir şekilde incelenmiştir. Ayrıca böyle bir asil ve asil olmayan bimetalik alaşımın istenilen performansa ulaşılırsa ekonomik katalizör olarak çeşitli reaksiyonlar için en iyi alternatiflerden birisi olacağı düşünülmektedir.
PEM yakıt pilleri transport ve evsel uygulamalar için büyük bir potansiyele sahip yüksek verimli enerji dönüşüm sistemleridir. Ancak ticarilaşmelerinin önündeki en büyük engellerden biri katot (oksijen indirgenme) katalizörü olarak kullanılan ve en aktif metal olan platinin yüksek maliyetidir. O nedenle oksijen indirgenme reaksiyonu (ORR) için alternatif katalizör geliştirme çalışmaları yakıt pili teknolojisi için önemli ve aktif araştırma konusudur. Platin grup dışındaki metallerle katalizör geliştirme çalışmalarında önemli bir yol katedilse de bu katalizörler platine göre oldukça düşük aktiviteye ve kararlılığa sahiptir. Paladyum ORR için ikinci en aktif metaldir. Ancak kütlesel aktivitesi platinden yaklaşık olarak 5 kat düşüktür. İkili Pd-geçiş metali (Co, Ni, Fe, Cu, Mn vb.) alaşımlarının Pd ile karşılaştırıldığında daha yüksek aktiviteye ve kararlılığa sahip olduğu ve PEMYP için katot katalizörü olarak ümit vaat ettikleri bildirilmiştir (Kariuki vd., 2010).
Son yıllarda karbon destekli Pd-Cu alaşımının PEM yakıt pillerinde oksijen indirgenme reaksiyonu için yüksek aktivite gösterdiği bildirilmiştir. Wang vd., (2008) tarafından yapılan çalışmada karbon destekli Pd-Cu katalizörleri farklı Cu ve Pd mol oranlarında birlikte empregnasyon ve takiben 3 farklı sıcaklıkta (300 °C, 600 °C ve 800 °C) H2 atmosferinde ısıl işlem ile hazırlanmıştır. Çalışmaları sonucunda uygun bir alaşımlama derecesine sahip Pd-Cu bimetalik katalizörlerin Pd katalizöre göre daha yüksek oksijen indirgenme aktivitesi gösterdikleri görülmüştür. En yüksek elektrokatalitik aktiviteye 600 °C’de ısıl işlem gören Pd:Cu mol oranı 1:1 olan katalizörle ulaşılmıştır. Grup katalitik aktivitenin arttırılması için daha küçük parçacık boyutuna ve iyi bir alaşımlama derecesine sahip Pd-Cu/C katalizörlerin daha düşük sıcaklıklarda üretilmesini sağlayacak yöntemlerin çalışılmasını önermiştir.
Kariuki vd., (2010) homojen dağılımlı alaşım Pd-Cu nano parçacıkları koloidal yöntemle hazırlamış ve katot aktivitesine bakmışlardır. Ortalama tanecik boyutu 3.3nm olan koloidal Pd-Cu parçacıkları kontrollü bir dağılım ve metal yüklemesinde karbon destek üzerine bindirilmiştir. Karbon destekli parçacıklara yüzey aktif maddenin uzaklaştırılması için H2 atmosferinde ısıl işlem uygulanmış ve 5-10 nm boyutlarında ORR için aktif Pd-Cu/C nano parçacıkları elde edilmiştir. 500 °C’de ısıl işlem gören mol oranı 1:1 olan PdCu/C katalizörle en yüksek ORR aktivitesine ulaşılmıştır. Ayrıca PdCu/C katalizörle ısıl işlem sıcaklığı arttıkça parçacık boyutu artsada kütlesel aktivitede artış gözlenmiştir. Bu da parçacık boyutunun ORR aktivitesi üzerinde önemli bir etkisi olduğunu ve artan ısıl işlem sıcaklığıyla katalitik olarak daha aktif bir yüzey oluştuğunu gösterir.
Martinez-Casillas vd., (2011) NaBH4 indirgenme metodu ile Pd-Cu/C katalizörlerini hazırlayarak PEM yakıt pillerinde ORR aktivitesine bakmışlardır. Ortalama tane boyutu 11nm olan ağ. %20 lik PdCu/C katalizör 0,14mgcm2 yüklemede katot olarak kullanılmış anotta ise Pt/C ticari katalizör 0,5mgcm2 yüklemede kullanılarak PEM yakıt pilinde test edilmiş ve 80 °C’de 150mWcm2 güç yoğunluğuna ulaşılmıştır. Sıcaklık arttıkça performans artmış ve PdCu/C katalizörle Pd/C katalizörden oldukça yüksek performans elde edilmiştir.
Karbon destekli Pd-Cu katalizörleri yaygın olarak ORR katalizörü olarak kullanılmasının yanında bazı yakıt pilleri için anot katalizörü olarak da kullanılmıştır. Park vd., (2011) tarafından yapılan bir çalışmada Pd-Cu katalizör trioktilamin ve oleik asit kullanılarak birlikte çöktürmeyle hazırlanmış ve doğrudan formik asit yakıt pillerinde anot katalizörü olarak test edilmiştir. Stabilizatörün yapıdan
uzaklaştırılması için katalizör asetik asit ile muamele edilmiş ancak asit muamelesiyle bakırın alaşımdan uzaklaştığı ve daha gözenekli bir yapı oluştuğu görülmüştür. Yapılan elektrokimyasal aktivite testlerinde Pd-Cu/C katalizörlerin ticari Pd/C katalizöre göre daha yüksek oksidasyon aktivitesi ve kararlılık gösterdiği bildirilmiştir. Pd-Cu/C katalizör ile elde edilen yüksek aktivitenin küçük parçacık boyutundan dolayı çok sayıda aktif merkezin oluşumuna ve gözenekli yapıya bağlı olabileceği bildirilmiştir.
Homojen dağılımlı bimetalik Pd-Cu nano parçacıkları kontrollü boyut ve kompozisyonda tek aşamada çok fazlı EG metodu ile hazırlanmış ve metanol oksidasyon katalizörü olarak test edilmiştir. (Yin vd., 2012). Hazırlanan Pd-Cu karbon destek üzerine bindirildikten sonra stabizatör (capping ligands) olarak kullanılan oleik asit ve oleylamin yapıdan ısıl işlemle uzaklaştırılmış ve ortalama 4,1 nm boyutunda parçacıklar elde edilmiştir. Hazırlanan Pd-Cu/C katalizörler Pd/C dan daha yüksek metanol oksidasyon aktivitesi göstermişlerdir. Pd85Cu15/C katalizörünün performansının ticari Pt katalizör ile karşılaştırılabilecek düzeyde olduğu bildirilmiştir.
Sonuç olarak literatür araştırmasında karbon destekli ve nano boyutlu Pd-Cu katalizörlerinin anot katalizörü olarak kullanıldığı doğrudan sodyum borhidrür yakıt pili çalışmasına rastlanmamıştır.
2. YAKIT PİLİ KATALİZÖRLERİNİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ