Wetenschap
Op koolstof gebaseerde dragers voor elektrokatalyse onder industrieel relevante omstandigheden
Koolstofmaterialen zijn, vanwege hun geschikte fysisch-chemische eigenschappen, zoals een groot oppervlak, aanpasbare poriënstructuur, variabele morfologie en multifunctionele oppervlakte-eigenschappen op basis van chemische modificaties, lage kosten en gemakkelijke bereiding uit verschillende precursoren, ideale dragermaterialen voor functionele metalen componenten .
Met name in elektrochemische systemen (zoals protonenuitwisselingsmembraan-brandstofcellen, PEMFC en protonenuitwisselingsmembraan-waterelektrolyse, PEMWE) spelen koolstofmaterialen een cruciale rol omdat ze kunnen dienen als geleidende dragers voor actieve metaalcomponenten.
In de snelgroeiende literatuur op het gebied van elektrokatalyse concentreren de meeste onderzoeken zich echter doorgaans op functionele metaal- of metaaloxidecomponenten ondersteund door commerciële koolstof. De rol van koolstofmaterialen als dragers en hun impact op de katalytische prestaties heeft onvoldoende aandacht gekregen, wat meer onderzoeksinspanningen van zowel de academische wereld als de industrie rechtvaardigt.
Deze recensie, gepubliceerd in het tijdschrift Science China Chemistry , werd geleid door prof. Wei Lin (SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing) en prof. Lichen Liu (Departement Scheikunde, Tsinghua University).
Prof. Wei Lin en prof. Lichen Liu probeerden het onderwerp vanuit een industrieel perspectief te benaderen, waarbij ze belangrijke parameters bespraken die direct kunnen worden gemeten of bestudeerd in experimenten om de relatie tussen synthese, structuur en prestatie bloot te leggen.
Het artikel introduceert en verklaart systematisch de toepassing van koolstofdragermaterialen op elektrochemisch gebied onder industrieel relevante omstandigheden en de bestaande uitdagingen en toekomstige doorbraakrichtingen vanuit zes aspecten:elektrochemische geleidbaarheid, chemische samenstelling, stabiliteit onder industriële omstandigheden, massaoverdracht, bulksynthese en diepgaand begrip.
Ten slotte stellen de auteurs, op basis van hun kennis en ervaring die ze hebben opgebouwd in industriële R&D-activiteiten, de volgende kritische normen voor waaraan koolstofdragers in praktische elektrokatalytische apparaten moeten voldoen:(1) specifiek oppervlak> 60 m²/g; (2) elektrische weerstand <2,5 Ω·m; (3) deeltjesgrootte van primaire koolstof <50 nm; (4) recycleerbaarheid gedurende 5000 cycli (bij 1,0-1,5 V); (5) kosten onder $4000/ton.
Specifiek suggereren de auteurs ook een primaire koolstofdeeltjesgrootte <50 nm, omdat kleinere deeltjes de geleidbaarheid en viscositeit kunnen verbeteren, de weersbestendigheid kunnen verbeteren, voor betere versterking kunnen zorgen en de treksterkte en slijtvastheid kunnen vergroten. Bovendien is een kleinere deeltjesgrootte gecorreleerd met een groter specifiek oppervlak, wat een dichte platinabelading en de constructie van dunne katalysatorlagen mogelijk maakt.
Deze sleutelindicatoren kunnen dienen als leidende parameters voor de ontwikkeling van geavanceerde koolstofdragers voor PEMFC- en PEMWE-apparaten. De eerste auteur van het artikel is Dr. Xue Yang van het Sinopec Research Institute of Petroleum Processing.