Forskere undersøger overfladeekstraktion af platinkatalysatorer i alkaliske medier

Platin (Pt) elektroder er afgørende for rene energiteknologier som brintbrændselsceller og elektrolyse. Den overfladeoxidation, der opstår under sådanne processer, forringer imidlertid katalysatorens ydeevne og stabilitet.

For at løse dette undersøgte forskere mekanismerne for overfladeoxidation på Pt-overfladen i alkaliske medier, en tidligere uudforsket forskningsvej. Deres eksperimenter afslørede afgørende indsigter, der kan hjælpe med udviklingen af ​​næste generations katalysatorer, og bane vejen for et CO2-neutralt samfund. Resultaterne er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Forfølgelsen af ​​kulstofneutralitet driver udforskningen af ​​rene energikilder, hvor brintbrændselsceller dukker op som en lovende vej. I disse celler gennemgår brint en elektrokemisk reaktion med ilt for at producere elektricitet og vand. Det omvendte af denne proces, kaldet elektrolyse, kan også bruges til at opdele det rigeligt tilgængelige vand for at producere brint og oxygen.

Disse to teknologier kan arbejde sammen om at give en ren og vedvarende energikilde. Et centralt element i disse to teknologier er platin (Pt) elektroden.

Brintbrændselsceller består af to elektroder:en anode og en katode, med en elektrolyt imellem dem. Pt fungerer som en grundlæggende katalysator i lavtemperaturbrændselsceller, såsom alkaliske brændselsceller og polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC'er). Pt har en høj aktivitet for oxygenreduktionsreaktionen (ORR), som er afgørende for brændselsceller, under alkaliske og sure forhold ved PEFC-katoders driftsspænding.

Dette fører dog også til oxiddannelse på overfladen, som gør Pt-laget ru og opløser, hvilket i sidste ende nedbryder katoderne og påvirker ydeevne og stabilitet. Forståelse af overfladeoxiddannelsesmekanismer er derfor afgørende for at udvikle Pt-katodekatalysatorer, der fungerer godt under alkaliske forhold.

Undersøgelser har vist, at oxiddannelsen på Pt-overfladen afhænger af elektrodepotentialet, elektrolytten og det elektriske dobbeltlag (EDL). Mens undersøgelser har undersøgt oxiddannelsen og -reduktionen på Pt-overfladen i sure medier, har få af dem behandlet det samme i alkaliske medier, til stede i brændselsceller og elektrolysatorer med anionbyttermembraner.

For at løse dette hul gravede et team af forskere ledet af professor Masashi Nakamura fra Graduate School of Engineering, Chiba University, Japan, dybt ned i oxiddannelsesmekanismerne på Pt-overflader i alkaliske medier.

"I en tidligere undersøgelse rapporterede vi, at grænsefladehydrofobe ioner med lange alkylkæder kan forbedre ORR. Dette tyder på, at det er muligt at konstruere et grænsefladereaktionsfelt, der ikke kun aktiverer ORR, men også forbedrer holdbarheden af ​​Pt-elektroder ved at bruge optimal grænsefladebehandling. ioner," forklarer prof. Nakamura.

Undersøgelsen omfattede også bidrag fra Dr. Tomoaki Kumeda og professor Nagahiro Hoshi, begge fra Graduate School of Engineering ved Chiba University, sammen med Dr. Osami Sakata fra Center for Synchrotron Radiation Research ved Japan Synchrotron Radiation Research Institute.

Holdet undersøgte oxiddannelsen på Pt (111) overfladen i alkaliske vandige opløsninger indeholdende forskellige kationer, nemlig lithiumkation (Li ⁺ ), Kalium (K ⁺ ) kation og tetramethylammoniumkation (TMA ⁺ ), ved brug af avancerede metoder som spredning af røntgenkrystalstub (CTR), guld-nanopartikelbaseret overfladeforstærket Raman-spektroskopi (GNP-SERS) og infrarød reflektionsabsorptionsspektroskopi (IRAS).

"Undersøgelser har vist, at en kombination af vibrationsspektroskopi og røntgendiffraktion er effektiv til at belyse overfladeoxidationsprocesser," tilføjer Prof. Nakamura.

Røntgen-CTR afslørede, at oxiddannelse resulterer i overfladeknækning og Pt-ekstraktion. SERS- og IRAS-målinger afslørede den potentielle og kationafhængige dannelse af tre oxidarter, nemlig infrarød (IR)-aktivt adsorberet hydroxid OH (OH_ad ), Raman aktivt adsorberet vand (H₂ O)_annonce og Raman-aktivt oxygen (O_ad ).

Holdet fandt ud af, at hydrofile kationer som Li ⁺ stabilisere IR-aktiv OH_ad , hvilket forhindrer skadelig oxiddannelse, mens K ⁺ er moderat hydrofilicitet har ingen beskyttende virkning. Interessant nok voluminøse hydrofobe kationer såsom TMA ⁺ også reducere irreversibel oxidation, svarende til Li ⁺ . Navnlig fandt holdet også, at den elektrostatiske frastødning mellem Raman-aktiv (H₂ O)_annonce og nabolandet Raman-aktiv O_ad letter Pt-ekstraktion.

Disse resultater tyder på, at grænsefladekationer spiller en væsentlig rolle i oxiddannelse på Pt-overflader, som kan kontrolleres ved at vælge passende kationer. Prof. Nakamura uddyber disse resultater og bemærker:"Denne indsigt er afgørende for at forstå overfladeoxidationsmekanismerne og EDL-strukturen, hvilket kan være gavnligt for at opnå højtydende og stabile Pt-elektrokatalysatorer til brug i næste generations elektrokemiske enheder."

Samlet set tager denne undersøgelse os et skridt videre i at opnå en kulstoffri fremtid drevet af rigeligt og rent brint.

Flere oplysninger: Tomoaki Kumeda et al., Overfladeekstraktionsproces under indledende oxidation af Pt(111):Effekt af hydrofile/hydrofobe kationer i alkaliske medier, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11334

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Chiba University