Hvordan nye materialer øger effektiviteten af ​​direkte ethanolbrændselsceller

Udviklingen af ​​nye materialer har væsentligt bidraget til den øgede effektivitet af direkte ethanolbrændselsceller (DEFC'er). Disse materialer spiller en afgørende rolle i at forbedre forskellige aspekter af DEFC-ydeevne, herunder forbedret elektrokatalytisk aktivitet, forbedret ethanoltolerance, øget holdbarhed og bedre protonledningsevne. Her er nogle nøglematerialer og deres indvirkning på DEFC-effektiviteten:

1. Elektrokatalysatorer:

- Platinbaserede katalysatorer: Platin (Pt) er den mest almindeligt anvendte elektrokatalysator til DEFC'er på grund af dens høje aktivitet for både ethanoloxidation og oxygenreduktionsreaktioner. Imidlertid er Pt dyrt og modtageligt for forgiftning af urenheder i ethanol. For at løse disse udfordringer har forskere udviklet Pt-baserede legeringskatalysatorer, såsom Pt-Ru, Pt-Sn og Pt-Ni-legeringer. Disse legeringer udviser forbedret aktivitet og ethanoltolerance sammenlignet med ren Pt.

- Katalysatorer af ikke-ædelmetal: For at reducere omkostningerne og afbøde knapheden på platin er der gjort en betydelig indsats for at udvikle ikke-ædelmetalkatalysatorer. Overgangsmetalbaserede materialer, herunder nikkel (Ni), cobalt (Co), jern (Fe) og deres forbindelser, har vist lovende aktivitet for ethanoloxidation. Disse katalysatorer er mere modstandsdygtige over for ethanolforgiftning og tilbyder omkostningseffektive alternativer til Pt-baserede katalysatorer.

2. Proton Exchange Membranes (PEM'er):

- Nafion: Nafion er en meget brugt PEM i DEFC'er på grund af dens gode protonledningsevne og kemiske stabilitet. Nafion lider dog af høj methanolpermeabilitet, hvilket kan føre til effektivitetstab. For at overvinde denne begrænsning har forskere udviklet alternative PEM'er baseret på sulfonerede polyimider, polybenzimidazoler og kompositmaterialer. Disse membraner udviser reduceret methanol-crossover og forbedret protonledningsevne.

3. Anion Exchange Membranes (AEM'er):

- Hydroxidudvekslingsmembraner (HEM): AEM'er muliggør direkte brug af alkaliske elektrolytter i DEFC'er, hvilket giver flere fordele såsom hurtigere reaktionskinetik, forbedret ethanoltolerance og reduceret katalysatorforgiftning. HEM'er baseret på kvaternære ammoniumfunktionaliserede polymerer har vist lovende ydeevne i DEFC'er, hvilket viser høj hydroxidledningsevne og stabilitet.

4. Kulstofbaserede materialer:

- Carbon understøtter: Kulstofmaterialer, såsom aktivt kul, kønrøg og grafen, bruges i vid udstrækning som katalysatorstøtter i DEFC'er. Disse materialer giver et stort overfladeareal til katalysatoraflejring og letter effektiv elektronoverførsel. Nitrogen-doterede kulstofmaterialer og kulstofnanorør er blevet udforsket for yderligere at forbedre den elektrokatalytiske aktivitet og holdbarhed af DEFC'er.

5. Bimetalliske og kompositmaterialer:

- Bimetalliske og kompositmaterialer: Forskere har udviklet bimetalliske og kompositmaterialer, der kombinerer fordelene ved forskellige materialer for at opnå synergistiske effekter. For eksempel udviser Pt-Ru/C-katalysatorer forbedret aktivitet og holdbarhed sammenlignet med rene Pt-katalysatorer. Kompositmaterialer, der inkorporerer metaloxider, ledende polymerer og metalorganiske rammer, har også vist forbedret DEFC-ydeevne.

Ved at konstruere nye materialer med skræddersyede egenskaber har forskere med succes adresseret forskellige udfordringer forbundet med DEFC'er. Disse fremskridt har ført til forbedret effektivitet, øget holdbarhed og reducerede omkostninger, hvilket bringer DEFC'er tættere på praktiske anvendelser i bærbare strømkilder, brændselsceller til biler og andre elektrokemiske enheder.