_ Cercetătorii investighează extracția de suprafață a catalizatori de platină în medii alcaline

Electrozii de platină (Pt) sunt cruciali pentru tehnologiile de energie curată, cum ar fi pilele de combustie cu hidrogen și electroliza. Cu toate acestea, oxidarea suprafeței care are loc în timpul unor astfel de procese degradează performanța și stabilitatea catalizatorului.

Pentru a aborda acest lucru, cercetătorii au investigat mecanismele de oxidare a suprafeței pe suprafața Pt în medii alcaline, o cale de cercetare neexplorată anterior. Experimentele lor au dezvăluit perspective cruciale care pot ajuta la dezvoltarea catalizatorilor de generație următoare, deschizând calea către o societate neutră din punct de vedere al carbonului. Descoperirile sunt publicate în Journal of the American Chemical Society.

Cumpărarea neutralității carbonului conduce la explorarea surselor de energie curată, pilele de combustibil cu hidrogen emergând ca o cale promițătoare. În aceste celule, hidrogenul suferă o reacție electrochimică cu oxigenul pentru a produce energie electrică și apă. De asemenea, reversul acestui proces, numit electroliză, poate fi folosit pentru a împărți apa din abundență disponibilă pentru a produce hidrogen și oxigen.

Aceste două tehnologii pot funcționa în tandem pentru a oferi o sursă curată și regenerabilă de energie. Un element esențial în aceste două tehnologii este electrodul de platină (Pt).

Pilele de combustibil cu hidrogen constau din doi electrozi: un anod și un catod, cu un electrolit între ei. Pt servește ca catalizator fundamental în celulele de combustibil la temperatură joasă, cum ar fi celulele de combustibil alcaline și celulele de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC). Pt are o activitate ridicată pentru reacția de reducere a oxigenului (ORR), care este crucială pentru celulele de combustie, în condiții alcaline și acide la tensiunea de funcționare a catozilor PEFC.

Totuși, acest lucru duce și la formarea de oxizi pe suprafața, care aspru și dizolvă stratul de Pt, degradând în cele din urmă catozii și afectând performanța și stabilitatea. Înțelegerea mecanismelor de formare a oxidului de suprafață este, prin urmare, crucială pentru dezvoltarea catalizatorilor cu catod Pt care funcționează bine în condiții alcaline.

Studiile au arătat că formarea de oxid pe suprafața Pt depinde de potențialul electrodului, electrolit și electricitate. strat dublu (EDL). În timp ce studiile au investigat formarea și reducerea oxidului pe suprafața Pt în mediile acide, puține dintre ele au abordat același lucru în mediile alcaline, prezente în celulele de combustie și electrolizoarele cu membrane schimbătoare de anioni.

Pentru a rezolva această lacună. , o echipă de cercetători condusă de profesorul Masashi Nakamura de la Școala Absolventă de Inginerie, Universitatea Chiba, Japonia, a săpat adânc în mecanismele de formare a oxidului de pe suprafețele Pt în medii alcaline.

„Într-un studiu anterior, am a raportat că ionii hidrofobi interfaciali cu lanțuri lungi de alchil pot îmbunătăți ORR. Acest lucru sugerează că este posibil să se construiască un câmp de reacție interfacial care nu numai că activează ORR, ci și îmbunătățește durabilitatea electrozilor Pt prin utilizarea ionilor interfaciali optimi", explică prof. Nakamura. .

Studiul a inclus și contribuții ale Dr. Tomoaki Kumeda și ale profesorului Nagahiro Hoshi, ambii de la Școala Absolventă de Inginerie de la Universitatea Chiba, împreună cu Dr. Osami Sakata de la Centrul pentru Cercetarea Radiației Sincrotronului de la Sincrotronul Japoniei Institutul de Cercetare în Radiații.

Echipa a investigat formarea de oxid pe suprafața Pt (111) în soluții apoase alcaline care conțin diferiți cationi, și anume cationul de litiu (Li+), cationul de potasiu (K+) și cationul de tetrametilamoniu (TMA+) , folosind metode avansate, cum ar fi împrăștierea tijei de trunchiere a cristalului cu raze X (CTR), spectroscopie Raman îmbunătățită la suprafață pe bază de nanoparticule de aur (GNP-SERS) și spectroscopie de absorbție a reflexiei în infraroșu (IRAS).

„Studiile au demonstrat a demonstrat că o combinație de spectroscopie vibrațională și difracție cu raze X este eficientă pentru elucidarea proceselor de oxidare a suprafeței”, adaugă prof. Nakamura.

CTR cu raze X a arătat că formarea de oxid are ca rezultat flambarea suprafeței și extracția Pt. Măsurătorile SERS și IRAS au relevat potențialul și formarea dependentă de cationi a trei specii de oxizi, și anume hidroxidul adsorbit activ în infraroșu (IR) OH (OHad), apă adsorbită activă Raman (H2O)ad și oxigenul activ Raman (Oad).

Echipa a descoperit că cationii hidrofili precum Li+ stabilizează OHad activ IR, prevenind astfel formarea de oxid nociv, în timp ce hidrofilitatea moderată a K+ nu are efect protector. Interesant este că cationii hidrofobi voluminosi, cum ar fi TMA+, reduc, de asemenea, oxidarea ireversibilă, similar cu Li+. În special, echipa a mai descoperit că repulsia electrostatică dintre Raman-activ (H2O)ad și vecină Raman-active Oad facilitează extracția Pt.

Aceste rezultate sugerează că cationii interfaciali joacă un rol esențial în formarea de oxid de Pt. suprafețe, care pot fi controlate prin selectarea cationilor corespunzători. Elaborând aceste rezultate, Prof. Nakamura remarcă: „Aceste perspective sunt cruciale pentru înțelegerea mecanismelor de oxidare a suprafeței și a structurii EDL, care pot fi benefice pentru obținerea de electrocatalizatori Pt de înaltă performanță și stabili pentru utilizarea în dispozitivele electrochimice de generație următoare.”

În general, acest studiu ne duce un pas mai departe în realizarea unui viitor cu zero emisii de carbon alimentat de hidrogen abundent și curat.

(Fluierul)