Protonen (subatomaire deeltjes) kunnen van de anode naar de kathode worden overgebracht door het ionomeermembraan in polymere elektrolyt-brandstofcellen (PEFC). Wetenschappers kunnen protonroutes verlengen door het ionomeer (type polymeer) in de elektroden te impregneren om een ​​verbeterde efficiëntie van de protonoverdracht te bereiken. Aangezien het geïmpregneerde ionomeer mechanisch katalysatoren in de elektrode kan binden, ze staan ​​bekend als een bindmiddel. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Chi-Yeong Ahn en een onderzoeksteam introduceerden een eenvoudige benadering om een ​​superkritische vloeistof te gebruiken en een homogene dispersie op nanoschaal van bindmiddelmateriaal in waterige alcohol te bereiden. Het preparaat vertoonde een hoog dispersiekarakter, kristalliniteit en protongeleiding voor hoogwaardige en duurzame toepassingen in een PEFC-kathode-elektrode.

Polymeer-elektrolyt-brandstofcellen (PEFC's) zijn elektrochemische apparaten die de chemische energie van de brandstof efficiënt rechtstreeks in elektrische energie kunnen omzetten. De PEFC's worden grotendeels beïnvloed door belangrijke componenten, waaronder polymere elektrolytmembranen, katalysatoren en geperfluoreerde sulfonzuur (PFSA) ionomeren. Redoxreacties die optreden in een PEFC vinden voornamelijk plaats op het elektrode-interface dat bekend staat als de driefasengrens (TPB) waar de reactantgassen (H ₂ aan de anode en O ₂ aan de kathode) in contact kunnen komen met platina (Pt) katalysatordeeltjes, op elektronengeleidende koolstofmaterialen (vandaar de drievoudige fase). In de huidige studie, Ahn et al. beschreef een ionomeerdispersie met een gemiddelde colloïdale deeltjesgrootte die veel kleiner is dan in de handel verkrijgbare dispersies door een Nafion 117-membraan te behandelen met alifatische alcohol onder superkritische omstandigheden. Het Nafion-membraan, een merknaam voor een geperfluoreerd sulfonzuur (PFSA) membraan geïntroduceerd door E. I. du Pont de Nemours and Company in de jaren zestig, kan het anode- en kathodecompartiment scheiden in brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan en in waterelektrolysers.

Superkritische vloeistoffen (SCF's) worden veel gebruikt in de industrie en in onderzoek om speciale medicijnen te synthetiseren, polymeren en nanomaterialen, met aanvullende toepassingen om materialen voor elektrochemische studies voor te bereiden. Echter, onderzoekers blijven de werkzaamheid van superzure geperfluoreerde sulfonzuur (PFSA) ionomeren als elektrodebinders onderzoeken. Om dit te bereiken, Ahn et al. eerst verkregen laboratorium gemaakte ionomeer dispersie door behandeling van een in de handel verkrijgbaar Nafion-membraan in een waterig medium van isopropylalcohol (IPA) in de superkritische vloeibare toestand (SCF). Vervolgens met behulp van dynamische lichtverstrooiingsanalyse, de onderzoekers observeerden ionomeerdeeltjesverdelingen met afmetingen kleiner dan 100 nm en noemden de in het laboratorium gemaakte dispersie een 'nanodispersie' (ND). De ND onderging een faseovergang van een waterige dispersie naar een vaste stof, voor gebruik als kathodebindmiddel. Met behulp van röntgendiffractie (XRD) analyse verkregen ze de kristalliniteiten van ND en toonden ze als semi-kristallijne ketens uniform verpakt met verbeterde regelmaat, vergeleken met Nafion D521 dat in andere PEFC-systemen wordt gebruikt. De verbeterde protongeleidbaarheid van de ND impliceerde een lagere weerstand; het voorspellen van een hoog prestatieniveau van de membraan-elektrode-assemblage (MEA) voor eencellige werking.

Ahn et al. gekarakteriseerd (getest) de ionomeerdispersie gemaakt met SCF, met behulp van scanning-elektronenmicroscopie om de topografie te observeren en kwikintrusieporosimetrie (MIP) om porositeiten te meten. Ze observeerden een relatief uniform oppervlak van de ND op het MEA-oppervlak (membraan-elektrodesamenstel); het ND-ionomeer was goed gedispergeerd op de Pt/C-katalysator in de inktsuspensie om de MEA te bereiden om mee te beginnen. Op basis van de morfologieën en poriegrootteverdeling van de katalysator, de ND had een betere dispergeerbaarheid van ionomeer voor brandstofgebruik in het membraan-elektrodesamenstel.

Het bindmiddelgehalte voor elektrodeformulering was belangrijk als een van de componenten die de driefasengrens (TPB) bepaalden. De wetenschappers stemden de ionomeerverhouding in de elektroden af ​​wanneer een van de elektrodecomponenten werd gewijzigd. Om de prestaties van ionomeren te begrijpen, ze detecteerden de elektrochemische prestaties van MEA's met behulp van kathoden met 30 procent gewicht van D521 (MEA-0) versus 10, 20, en 30 gewichtsprocent ND (MEA-10, MEA-20 en MEA-30). De MEA-prestaties namen toe met het ionomeergehalte. Ze bepaalden een geschikte hoeveelheid ionomeer voor MEA-fabricage en besloten tot MEA-20, die de hoogste prestaties vertoonde in een zuurstofatmosfeer. Toen ze de elektrochemische prestatie van MEA's in lucht maten, de prestaties van de brandstofcel namen af ​​door de aanwezigheid van inerte stikstof en verminderde zuurstofconcentraties.

Om eencellige prestaties en elektrochemische duurzaamheid te begrijpen, het team selecteerde twee monsters (MEA-0 en MEA-20) en voerde de versnelde stresstest (AST) uit. Ze voerden AST uit met behulp van een load-cycling-methode, die ernstige degradatie van de kathode-elektrode veroorzaakte. De mate van elektrochemische afbraak was afhankelijk van het type ionomeer dat in de kathode werd gebruikt. Bijvoorbeeld, MEA-20 (ND-ionomeer) handhaafde zijn elektrochemische prestatie op 3,33 procent in aanwezigheid van zuurstof en zijn elektrochemische duurzaamheid nam ongeveer zes keer meer toe dan die van MEA-0, opzichte van de stroomdichtheid.

Zelfs na de versnelde stresstests (AST), de stroomdichtheid van MEA-20 was hoger dan de initiële stroomdichtheid van MEA-0. De afbraak van katalysator was dus ernstig in MEA-0 maar nauwelijks merkbaar in MEA-20. Ahn et al. toegeschreven aan het hoge molecuulgewicht en de verbeterde kristalliniteit van het samenstellende ionomeer om de verbeterde elektrochemische tolerantie van de ND-elektrode te rechtvaardigen, die de afbraak van de katalysator hielp voorkomen. Ze voerden transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) uit om fysieke veranderingen in de elektrode na AST te bevestigen en merkten minder afbraak van de katalysator in de ND-elektrode op. De extreem verbeterde elektrochemische duurzaamheid was te danken aan de verbeterde mechanische sterkte op basis van het hoge molecuulgewicht en het verbeterde kristallijne karakter van de ND, wat moeilijker was om weg te spoelen tijdens de PEFC-functie.

Op deze manier, Chi-Yeong Ahn en collega's demonstreerden de bereiding en karakterisering van ND-ionomeer met een gemiddelde deeltjesgrootte kleiner dan D521-ionomeer (dat een identieke chemische architectuur en equivalent gewicht had). Ze bevestigden de elektrochemische werkzaamheid van ND als kathodebindmiddel en observeerden unieke morfologieën voor ND-ionomeer verkregen uit het SCF-proces (Supercritical Fluid). Deze morfologieën kwamen overeen met verbeterde protongeleiding en prestaties van een enkele cel - als gevolg van een effectieve protontransportroute. Het hogere kristallijne gehalte en molecuulgewicht van ND verbeterde de mechanische sterkte en verlengde de MEA-levensduur met een factor zes bij een stroomdichtheid van 0,6 V. De resultaten toonden verbeterde prestaties en duurzaamheid van PEFC-elektroden. Het onderzoeksteam verwacht dat de elektrode de prestaties en duurzaamheid verder zal verbeteren bij het aanbrengen van het nieuw gevormde ionomeer met een hoogwaardige katalysator in een polymeerelektrolyt-brandstofcel.

© 2020 Wetenschap X Netwerk