Development of catalysis and processes for electrochemical energy technologies
Authors: Shroti Nivedita 
Published: March 2021

Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι να μελετήσει νέο ηλεκτροκαταλύτη για ηλεκτρόλυση νερού υψηλής θερμοκρασίας καθώς και κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων υψηλής θερμοκρασίας. Πιο συγκεκριμένα, η κατανόηση και η βελτίωση της ηλεκτροχημικής διεπαφής του ανοδικού ηλεκτροδίου στην ηλεκτρολύση ΗΤ, καθώς και η βελτιστοποίηση της δομής του στρώματος του καταλύτη για λειτουργία υπό συνθήκες ηλεκτρόλυσης υψηλής θερμοκρασίας. Για το λόγο αυτό διερευνήθηκε η επίδραση του καταλύτη, η επίδραση του υποστρώματος του καταλύτη και το εναλλακτικό υλικό μεμβράνης στην απόδοση της ηλεκτρόλυσης νερού για εφαρμογή σε υψηλή θερμοκρασία.Αρχικά IrO2 και RuO2 και υπάρχουν διαφορετικές συνθέσεις που ερευνήθηκαν για ανοδικό ηλεκτρόδιο. Η σταθερότητα του ηλεκτροκαταλυτικού υλικού αξιολογήθηκε ως ανοδικό υλικό για μεμβράνη TPS® με προσθήκη οξέος που παρέχεται από την Advent Technologies για ηλεκτρόλυση νερού υψηλής θερμοκρασίας. Παρατηρήθηκε ότι το IrxRu1-xO2 δίνει καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με το καθαρό IrO2 αλλά δεν είναι σταθερό για κατάσταση ηλεκτρόλυσης νερού υψηλής θερμοκρασίας. Πιο συγκεκριμένα, υπό συνθήκες ηλεκτρόλυσης παρουσία οξέος, το οξειδωτικό περιβάλλον IrOx και RuOx υφίσταται αλλαγές στην κατάσταση οξείδωσης και νέα σχηματισμένα είδη που δεν είναι σταθερά υπό συνθήκες ηλεκτρόλυσης. Παρατηρείται σχηματισμός τρυπών για διαφορετικά MEA. Αυτό μπορεί να αποδοθεί σε αλληλεπίδραση καταλύτη και μεμβράνης παρουσία οξέος σε υψηλή θερμοκρασία. Το RuO2 μετατρέπεται σε RuO4, τα νεοσυσταθέντα είδη ενδέχεται να αντιδρούν με την πυριδίνη που υπάρχει στην μεμβράνη που δημιουργεί ασταθή διεπαφή. Μια νέα ιδέα διπλού στρώματος ηλεκτρολύτη εισάγει όπου δύο μεμβράνες, με βάση το οξύ και με βάση το στερεό οξύ λειτουργούν ως ηλεκτρολύτες για το σύστημα ηλεκτρόλυσης νερού. Με την εισαγωγή διπλού στρώματος μεμβρανών προστίθεται επιπλέον αντίσταση στο σύστημα, το οποίο δεν συμβάλλει στην καλύτερη απόδοση για την ηλεκτρόλυση του νερού. Για καταλύτη βασισμένο σε Pt κυψελών καυσίμου δίνει έως τώρα καλύτερη απόδοση. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος του καταλύτη και να ενισχυθεί η καταλυτική δραστηριότητα για το σύστημα κυψελών καυσίμου, ο καταλύτης με κράμα Pt συντέθηκε και δοκιμάστηκε για κυψέλη καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας. Κραματοποιημένος καταλύτης που αποδίδεται στη δομή (αλλαγή στην απόσταση δεσμού Pt-Pt) καθώς και στην μεταβολή της πυκνότητας Pt d-electron. Προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση και να αυξηθεί το όριο των τριών φάσεων, αξιολογήθηκε ένας πρόσφατα συντεθειμένος ηλεκτροκαταλύτης και συγκρίθηκε με το εμπορικό 30% κ.β. Pt / C. Ο νέος καταλύτης βασίζεται σε κράμα Pt με κοβάλτιο (Co) σε νανοσωλήνες οξειδωμένου άνθρακα, ox.MWCNT και νανοσωλήνες άνθρακα με ενεργοποίηση πυριδίνης (ox.MWCNT) - Πιο συγκεκριμένα Pt3Co / f-MWCNT. Ο στόχος του μελετημένου καταλύτη είναι η επίτευξη λεπτής διασποράς, ποσοτικής εναπόθεσης και σχηματισμού κραμάτων σε λειτουργικούς νανοσωλήνες άνθρακα. Το CL που χρησιμοποιεί τον νέο καταλύτη τυποποιήθηκε και δοκιμάστηκε στην κάθοδο. Αρχικά μελετήθηκαν διαφορετικές συνθήκες αντίδρασης για απόθεση Pt και Co στο ox.MWCNT καθώς και για (ox.MWCNT) -Py. Διαπιστώθηκε ότι η καλύτερη εναπόθεση και διασπορά Pt βρέθηκε και στα δύο υποστρώματα σε όξινο pH, ενώ η απόθεση Co λαμβάνει χώρα σε βασικό pH. Για την εναπόθεση Pt-Co ως κράμα, οι διαφορετικές παράμετροι ποικίλλουν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, όπως pH, θερμοκρασία κ.λπ. Διαπιστώθηκε ότι οι βασικές συνθήκες pH ευνοούν το σχηματισμό κραμάτων Pt-Co αλλά έχουν αρνητική επίδραση στη διασπορά. Μεταβάλλοντας το χρόνο αντίδρασης στο βασικό pH ευνοεί το σχηματισμό κραμάτων καθώς και την καλή διασπορά. Προετοιμασμένος καταλύτης που δοκιμάστηκε επί τόπου για απόδοση κυψελών καυσίμου σε σύγκριση με εμπορικό Pt / C, μελετήθηκε επίσης η βελτιστοποίηση της επιτόπιας διαδικασίας αξιολόγησης ECSA στη χρήση CO ως μορίου ανιχνευτή, χωρίς βλάβη η κατανομή καταλύτη. Μελέτη του αποτελέσματος του H3PO4, της θερμοκρασίας και των διαφορετικών μεθόδων απογύμνωσης CO για μετρήσεις ECSA. Οι χαμηλές ποσότητες ΡΑ στο στρώμα του καταλύτη (<2gPA / gPt) αντιστοιχούν στο χαμηλό ESCA, ενώ (> 2 gPA / gPt) έχουν επίδραση δηλητηρίασης στο στρώμα του καταλύτη που επίσης επηρεάζει τη μέτρηση ECSA. Διεξήχθησαν μετρήσεις ECSA για Pt3CO / λειτουργούσαν MWCNT σε σύγκριση με εμπορικό καταλύτη Pt / C. Διαπιστώθηκε ότι ο καταλύτης με κράμα Pt3CO έχει παρόμοια απόδοση σε σύγκριση με τους Pt / C και Pt / ενεργοποιεί το MWCNT από την άποψη της απόδοσης I-V, αλλά δείχνει λιγότερες τιμές ECSA σε όλες τις συνθήκες που μελετήθηκαν που μπορεί να αποδοθούν στην παρουσία Co στην επιφάνεια.