Protoner (subatomära partiklar) kan överföras från anoden till katoden genom jonomermembranet i polymerelektrolytbränsleceller (PEFC). Forskare kan utöka protonvägar genom att impregnera jonomeren (typ av polymer) i elektroderna för att uppnå förbättrad protonöverföringseffektivitet. Eftersom den impregnerade jonomeren mekaniskt kan binda katalysatorer inuti elektroden, de är kända som bindemedel. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Chi-Yeong Ahn och en forskargrupp introducerade en enkel metod för att använda en superkritisk vätska och förbereda en homogen dispersion av bindemedelsmaterial i nanoskala i vattenhaltig alkohol. Preparatet visade hög dispersionskaraktär, kristallinitet och protonledningsförmåga för högpresterande och hållbara tillämpningar i en PEFC-katodelektrod.

Polymerelektrolytbränsleceller (PEFC) är elektrokemiska enheter som effektivt kan omvandla kemisk energi från bränslet direkt till elektrisk energi. PEFC påverkas till stor del av nyckelkomponenter inklusive polymerelektrolytmembran, katalysatorer och jonomerer av perfluorerad sulfonsyra (PFSA). Redoxreaktioner som inträffar i en PEFC sker huvudsakligen vid elektrodgränssnittet som kallas trippelfasgränsen (TPB) där reaktantgaserna (H) ₂ vid anoden och O ₂ vid katoden) kan komma i kontakt med platina (Pt) katalysatorpartiklar, på elektronledande kolmaterial (därav trippelfasen). I föreliggande studie, Ahn et al. beskrev en jonomerdispersion med en genomsnittlig kolloidal partikelstorlek som är mycket mindre än kommersiellt tillgängliga dispersioner genom att behandla ett Nafion 117-membran med alifatisk alkohol under superkritiska förhållanden. Nafion-membranet, ett varumärke för ett membran av perfluorerad sulfonsyra (PFSA) som introducerades av E. I. du Pont de Nemours and Company på 1960-talet, kan separera anod- och katodutrymmet i protonbytesmembranbränsleceller och i vattenelektrolysörer.

Superkritiska vätskor (SCF) används i stor utsträckning inom industri och forskning för att syntetisera specialmedicin, polymerer och nanomaterial, med ytterligare tillämpningar för att förbereda material för elektrokemiska studier. Dock, forskare återstår för att undersöka effektiviteten av jonomerer av superacidic perfluorinated sulfonic acid (PFSA) som elektrodbindare. För att åstadkomma detta, Ahn et al. först erhöll laboratorietillverkad jonomerdispersion genom att behandla ett kommersiellt tillgängligt Nafion-membran i ett vattenhaltigt medium av isopropylalkohol (IPA) i superkritiskt vätsketillstånd (SCF). Använd sedan dynamisk ljusspridningsanalys, forskarna observerade jonomerpartikelfördelningar med storlekar mindre än 100 nm och kallade den laboratorietillverkade dispersionen en "nanodispersion" (ND). ND genomgick en fasövergång från en vattenhaltig dispersion till en fast, för dess användning som katodbindemedel. Med hjälp av röntgendiffraktionsanalys (XRD) erhöll de kristalliniteterna för ND och visade dem som semikristallina kedjor packade enhetligt med förbättrad regelbundenhet, jämfört med Nafion D521 som används i andra PEFC-system. Den förbättrade protonledningsförmågan hos ND antydde lägre resistans; förutsäga en hög prestandanivå för membran-elektrodaggregatet (MEA) för encellsdrift.

Ahn et al. karakteriserat (testat) jonomerdispersionen gjord med SCF, genom att använda svepelektronmikroskopi för att observera topografin och kvicksilverintrångsporosimetri (MIP) för att mäta porositeter. De observerade en relativt likformig yta av ND på MEA-ytan (membran-electrode assembly); ND-jonomeren var väl dispergerad på Pt/C-katalysatorn i bläckuppslamningen för att bereda MEA till att börja med. Baserat på katalysatorns morfologi och porstorleksfördelning, ND hade bättre jonomerdispergerbarhet för bränsleanvändning inom membran-elektrodaggregatet.

Bindemedelshalten för elektrodformulering var viktig som en av komponenterna som bestämde triple phase boundary (TPB). Forskarna justerade jonomerförhållandet i elektroderna när en av elektrodkomponenterna ändrades. För att förstå prestanda hos jonomerer, de upptäckte den elektrokemiska prestandan hos MEA med katoder med 30 viktprocent D521 (MEA-0) mot 10, 20, och 30 viktprocent ND (MEA-10, MEA-20 och MEA-30). MEA-prestanda ökade med jonomerhalten. De bestämde en lämplig mängd jonomer för MEA-tillverkning och bestämde sig för MEA-20, som uppvisade högsta prestanda i en atmosfär av syre. När de mätte elektrokemisk prestanda för MEA i luft, bränslecellens prestanda minskade på grund av närvaron av inert kväve och minskade koncentrationer av syre.

För att förstå encellsprestanda och elektrokemisk hållbarhet, teamet valde ut två prover (MEA-0 och MEA-20) och genomförde det accelererade stresstestet (AST). De utförde AST med en belastningscykelmetod, vilket orsakade allvarlig nedbrytning av katodelektroden. Graden av elektrokemisk nedbrytning berodde på vilken typ av jonomer som användes i katoden. Till exempel, MEA-20 (ND-jonomer) bibehöll sin elektrokemiska prestanda på 3,33 procent i närvaro av syre och dess elektrokemiska hållbarhet ökade ungefär sex gånger mer än MEA-0, i förhållande till strömtätheten.

Även efter de accelererade stresstesterna (AST), strömtätheten för MEA-20 var högre än den initiala strömtätheten för MEA-0. Katalysatornedbrytningen var därför allvarlig i MEA-0 men knappt märkbar i MEA-20. Ahn et al. krediterade den höga molekylvikten och förbättrade kristalliniteten hos den ingående jonomeren för att motivera den förbättrade elektrokemiska toleransen för ND-elektroden, vilket hjälpte till att förhindra katalysatornedbrytning. De utförde transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att bekräfta fysiska förändringar i elektroden efter AST och noterade mindre katalysatornedbrytning i ND-elektroden. Den extremt förbättrade elektrokemiska hållbarheten berodde på förbättrad mekanisk hållfasthet baserad på den höga molekylvikten och förbättrade kristallina karaktären hos ND, som var svårare att tvätta bort under PEFC-funktion.

På det här sättet, Chi-Yeong Ahn och kollegor demonstrerade beredningen och karakteriseringen av ND-jonomer innehållande en genomsnittlig partikelstorlek mindre än D521-jonomeren (som hade en identisk kemisk arkitektur och ekvivalentvikt). De bekräftade den elektrokemiska effektiviteten av ND som ett katodbindematerial och observerade unika morfologier för ND-jonomer erhållen från SCF-processen (Supercritical fluid). Dessa morfologier motsvarade förbättrad protonledningsförmåga och singelcellsprestanda – som ett resultat av en effektiv protontransportväg. Det högre kristallina innehållet och molekylvikten hos ND förbättrade den mekaniska hållfastheten och förbättrade MEA-livslängden med en faktor sex vid en strömtäthet på 0,6 V. Resultaten visade förbättrad prestanda och hållbarhet hos PEFC-elektroder. Forskargruppen förväntar sig att elektroden ytterligare förbättrar prestanda och hållbarhet när den nybildade jonomeren appliceras med en högpresterande katalysator i en polymerelektrolytbränslecell.

© 2020 Science X Network