Het werk is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society .

Waterstofbrandstofcellen zetten chemische energie van waterstof om in elektrische energie door afzonderlijke reacties van waterstofbrandstoffen en oxidatiemiddelen (zuurstof). Onder de waterstofbrandstofcellen zijn hogetemperatuurpolymeerelektrolytmembraanbrandstofcellen (HT-PEMFC's) aantrekkelijk voor micro-stationaire elektriciteitsbronnen. Een nadeel van deze HT-PEMFC's is dat het fosforzuur (H₃ PO₄ ) protonengeleider lekt uit de H₃ PO₄ -gedopeerd polybenzimidazoolmembraan en vergiftigt de platinakatalysator.

Recente onderzoeken laten verdere complicaties zien tijdens de operatie van de HT-PEMFC, waarbij sommige H₃ PO₄ kan worden teruggebracht tot H₃ PO₃ , wat de platinakatalysatoren verder kan vergiftigen, wat tot een aanzienlijk prestatieverlies kan leiden.

Uit een eerder onderzoek van het team van prof. dr. Marcus Bär bleek dat tegengestelde processen ook plaatsvinden op het grensvlak tussen Pt en waterige H₃ PO₃ en dat de interacties tussen de platinakatalysator en de H₃ PO₃ /H₃ PO₄ zijn erg complex:Terwijl H₃ PO₃ kan leiden tot vergiftiging van de platinakatalysator, terwijl platina tegelijkertijd de oxidatie van H₃ kan katalyseren PO₃ terug naar H₃ PO₄ .

Experimenteer onder realistische omstandigheden

Om het oxidatiegedrag van waterig H₃ te onderzoeken PO₃ onder omstandigheden die dicht bij de werkomstandigheden van HT-PEMFC liggen, heeft het team van Bär nu de chemische processen geanalyseerd met behulp van een intern ontworpen verwarmbare elektrochemische cel die compatibel is met in situ röntgenonderzoek bij het OÆSE-eindstation dat onlangs is opgezet in het Energy Materials In -situ Laboratorium Berlijn (EMIL).

Ze gebruikten intens röntgenlicht in het gevoelige röntgenenergiebereik (2 keV – 5 keV), geleverd door de EMIL-bundellijn bij de röntgenbron BESSY II. In dit energiebereik wordt röntgenabsorptie-near-edge-structuurspectroscopie (XANES) aan de PK-rand gebruikt om oxidatieprocessen van H₃ te volgen. PO₃ tot H₃ PO₄ .

Verschillende oxidatiereacties onderzocht

"We hebben dus verschillende processen voor deze oxidatiereactie blootgelegd, waaronder door platina gekatalyseerde chemische oxidatie, elektrochemische oxidatie onder positieve potentiële bias aan de platina-elektrode en door hitte bevorderde oxidatie. Deze in situ spectroscopische resultaten worden ook bevestigd door ionenuitwisselingschromatografie en in situ elektrochemische karakteriseringen”, legt Enggar Wibowo uit, eerste auteur van de studie en een Ph.D. kandidaat in het team van Bär.

"Opmerkelijk is dat bij al deze oxidatieroutes reacties met water betrokken zijn, wat aantoont dat de vochtigheid in de brandstofcel een aanzienlijke invloed heeft op deze processen."

Bovendien wijzen de resultaten ook op mogelijke verbeteringen van de bedrijfsomstandigheden van HT-PEM-brandstofcellen, b.v. door de bevochtiging te regelen om de H₃ te oxideren PO₃ terug naar H₃ PO₄ .

"Overeenkomstige aanpassingen aan de bedrijfsomstandigheden van HT-PEMFC's zouden kunnen worden geïmplementeerd om katalysatorvergiftiging door H₃ te voorkomen PO₃ en de efficiëntie van die brandstofcellen verbeteren”, benadrukt Wibowo.

"Het werk verduidelijkt een belangrijk afbraaktraject van brandstofcellen en is een bijdrage op weg naar een H₂ op basis van energievoorziening", zegt prof. dr. ing. Marcus Bär. "Het toont ook het grote voordeel van zachte röntgenstraling aan, en we kijken uit naar BESSY III, dat tot doel heeft de kloof op het gebied van de röntgenstraling te dichten ."

Meer informatie: Romualdus Enggar Wibowo et al., Opheldering van het complexe oxidatiegedrag van waterig H3PO3 op Pt-elektroden via in situ röntgenabsorptie Near-Edge Structuurspectroscopie aan de P K-Edge, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12381

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra