Wetenschap
Onderzoekers onderzoeken de oppervlakte-extractie van platinakatalysatoren in alkalische media
Platina (Pt)-elektroden zijn cruciaal voor schone energietechnologieën zoals waterstofbrandstofcellen en elektrolyse. De oppervlakteoxidatie die tijdens dergelijke processen optreedt, verslechtert echter de prestaties en stabiliteit van de katalysator.
Om dit aan te pakken, onderzochten onderzoekers de mechanismen van oppervlakte-oxidatie op Pt-oppervlak in alkalische media, een voorheen onontgonnen onderzoeksrichting. Hun experimenten brachten cruciale inzichten aan het licht die kunnen helpen bij de ontwikkeling van katalysatoren van de volgende generatie, die de weg vrijmaken voor een koolstofneutrale samenleving. De bevindingen worden gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society .
Het streven naar koolstofneutraliteit stimuleert de verkenning van schone energiebronnen, waarbij waterstofbrandstofcellen een veelbelovende weg naar voren komen. In deze cellen ondergaat waterstof een elektrochemische reactie met zuurstof om elektriciteit en water te produceren. Ook het omgekeerde van dit proces, elektrolyse genoemd, kan worden gebruikt om het overvloedig beschikbare water te splitsen om waterstof en zuurstof te produceren.
Deze twee technologieën kunnen samenwerken om een schone en hernieuwbare energiebron te bieden. Een cruciaal element in deze twee technologieën is de platina (Pt)-elektrode.
Waterstofbrandstofcellen bestaan uit twee elektroden:een anode en een kathode, met daartussen een elektrolyt. Pt dient als fundamentele katalysator in brandstofcellen bij lage temperaturen, zoals alkalische brandstofcellen en polymeerelektrolytbrandstofcellen (PEFC's). Pt heeft een hoge activiteit voor de zuurstofreductiereactie (ORR), die cruciaal is voor brandstofcellen, in alkalische en zure omstandigheden bij de bedrijfsspanning van PEFC-kathodes.
Dit leidt echter ook tot oxidevorming op het oppervlak, waardoor de Pt-laag ruwer wordt en oplost, waardoor uiteindelijk de kathodes worden aangetast en de prestaties en stabiliteit worden aangetast. Het begrijpen van mechanismen voor de vorming van oppervlakteoxide is dus cruciaal voor het ontwikkelen van Pt-kathodekatalysatoren die goed werken in alkalische omstandigheden.
Studies hebben aangetoond dat de oxidevorming op het Pt-oppervlak afhangt van de elektrodepotentiaal, de elektrolyt en de elektrische dubbellaag (EDL). Hoewel studies de oxidevorming en -reductie op het Pt-oppervlak in zure media hebben onderzocht, hebben slechts weinigen hetzelfde onderzocht in alkalische media, aanwezig in brandstofcellen en elektrolyseapparaten met anionenuitwisselingsmembranen.
Om deze kloof te dichten heeft een team van onderzoekers onder leiding van professor Masashi Nakamura van de Graduate School of Engineering van de Chiba Universiteit in Japan zich diep verdiept in de oxidevormingsmechanismen op Pt-oppervlakken in alkalische media.
"In een eerdere studie rapporteerden we dat hydrofobe ionen op het grensvlak met lange alkylketens ORR kunnen verbeteren. Dit suggereert dat het mogelijk is om een grensvlakreactieveld te construeren dat niet alleen de ORR activeert, maar ook de duurzaamheid van Pt-elektroden verbetert door gebruik te maken van optimale grensvlakreacties." ionen", legt prof. Nakamura uit.
Het onderzoek omvatte ook bijdragen van dr. Tomoaki Kumeda en professor Nagahiro Hoshi, beiden van de Graduate School of Engineering aan de Chiba Universiteit, samen met dr. Osami Sakata van het Center for Synchrotron Radiation Research van het Japan Synchrotron Radiation Research Institute.
Het team onderzocht de oxidevorming op het Pt (111)-oppervlak in alkalische waterige oplossingen die verschillende kationen bevatten, namelijk lithiumkation (Li + ), Kalium (K + ) kation en tetramethylammoniumkation (TMA + ), waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde methoden zoals CTR-verstrooiing (X-ray Crystal Truncation Rod), op gouden nanodeeltjes gebaseerde oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie (GNP-SERS) en infraroodreflectie-absorptiespectroscopie (IRAS).
"Studies hebben aangetoond dat een combinatie van vibratiespectroscopie en röntgendiffractie effectief is voor het ophelderen van oppervlakteoxidatieprocessen", voegt prof. Nakamura toe.
Röntgenfoto-CTR onthulde dat oxidevorming resulteert in knikken van het oppervlak en Pt-extractie. SERS- en IRAS-metingen onthulden de potentiële en kation-afhankelijke vorming van drie oxidesoorten, namelijk infrarood (IR)-actief geadsorbeerd hydroxide OH (OHad ), Raman actief geadsorbeerd water (H2 O)advertentie , en Raman-actieve zuurstof (Oad ).
Het team ontdekte dat hydrofiele kationen zoals Li + stabiliseer IR-actieve OHadvertentie , waardoor schadelijke oxidevorming wordt voorkomen, terwijl de hydrofiliciteit van K + wordt gematigd heeft geen beschermende werking. Interessant is dat omvangrijke hydrofobe kationen zoals TMA + vermindert ook onomkeerbare oxidatie, vergelijkbaar met Li + . Het team ontdekte met name ook dat de elektrostatische afstoting tussen Raman-actieve (H2 O)advertentie en naburige Raman-actieve Oad vergemakkelijkt Pt-extractie.
Deze resultaten suggereren dat grensvlakkationen een essentiële rol spelen bij de oxidevorming op Pt-oppervlakken, die kan worden gecontroleerd door geschikte kationen te selecteren. Voortbouwend op deze resultaten merkt prof. Nakamura op:"Deze inzichten zijn cruciaal voor het begrijpen van de oppervlakte-oxidatiemechanismen en de EDL-structuur, wat gunstig kan zijn voor het bereiken van hoogwaardige en stabiele Pt-elektrokatalysatoren voor gebruik in elektrochemische apparaten van de volgende generatie." /P>
Over het geheel genomen brengt deze studie ons een stap verder in het bereiken van een koolstofvrije toekomst, aangedreven door overvloedige en schone waterstof.