Platina (Pt) elektroder är avgörande för ren energiteknik som vätebränsleceller och elektrolys. Den ytoxidation som sker under sådana processer försämrar dock katalysatorns prestanda och stabilitet.
För att ta itu med detta undersökte forskare mekanismerna för ytoxidation på Pt-ytan i alkaliska medier, en tidigare outforskad forskningsväg. Deras experiment avslöjade avgörande insikter som kan hjälpa till i utvecklingen av nästa generations katalysatorer, vilket banar väg för ett koldioxidneutralt samhälle. Resultaten publiceras i Journal of the American Chemical Society .
Strävan efter koldioxidneutralitet driver utforskningen av rena energikällor, med vätebränsleceller som framstår som en lovande väg. I dessa celler genomgår väte en elektrokemisk reaktion med syre för att producera elektricitet och vatten. Det omvända av denna process, kallad elektrolys, kan också användas för att dela det rikligt tillgängliga vattnet för att producera väte och syre.
Dessa två tekniker kan arbeta tillsammans för att tillhandahålla en ren och förnybar energikälla. Ett centralt element i dessa två teknologier är platina (Pt) elektroden.
Vätebränsleceller består av två elektroder:en anod och en katod, med en elektrolyt mellan dem. Pt fungerar som en grundläggande katalysator i lågtemperaturbränsleceller, såsom alkaliska bränsleceller och polymerelektrolytbränsleceller (PEFC). Pt har en hög aktivitet för syrereduktionsreaktionen (ORR), som är avgörande för bränsleceller, i alkaliska och sura förhållanden vid driftspänningen för PEFC-katoder.
Detta leder dock också till oxidbildning på ytan, vilket ruggar upp och löser upp Pt-skiktet, vilket i slutändan försämrar katoderna och påverkar prestanda och stabilitet. Att förstå mekanismerna för bildande av ytoxid är därför avgörande för att utveckla Pt-katodkatalysatorer som fungerar bra under alkaliska förhållanden.
Studier har visat att oxidbildningen på Pt-ytan beror på elektrodpotentialen, elektrolyten och det elektriska dubbelskiktet (EDL). Medan studier har undersökt oxidbildning och reduktion på Pt-ytan i sura medier, har få av dem tagit upp detsamma i alkaliska medier, som finns i bränsleceller och elektrolysatorer med anjonbytarmembran.
För att komma till rätta med denna lucka grävde ett team av forskare under ledning av professor Masashi Nakamura från Graduate School of Engineering, Chiba University, Japan, djupt ner i oxidbildningsmekanismerna på Pt-ytor i alkaliska medier.
"I en tidigare studie rapporterade vi att hydrofoba gränssnittjoner med långa alkylkedjor kan förbättra ORR. Detta tyder på att det är möjligt att konstruera ett gränssnittsreaktionsfält som inte bara aktiverar ORR utan också förbättrar hållbarheten hos Pt-elektroder genom att använda optimal gränssnittsbehandling. joner", förklarar Prof. Nakamura.
Studien inkluderade också bidrag från Dr. Tomoaki Kumeda och professor Nagahiro Hoshi, båda från Graduate School of Engineering vid Chiba University, tillsammans med Dr. Osami Sakata från Center for Synchrotron Radiation Research vid Japan Synchrotron Radiation Research Institute.
Teamet undersökte oxidbildningen på Pt (111)-ytan i alkaliska vattenlösningar innehållande olika katjoner, nämligen litiumkatjon (Li + ), Kalium (K + ) katjon och tetrametylammoniumkatjon (TMA + ), med hjälp av avancerade metoder som röntgenkristallintrukningsstav (CTR) spridning, guldnanopartikelbaserad ytförstärkt Raman-spektroskopi (GNP-SERS) och infraröd reflektionsabsorptionsspektroskopi (IRAS).
"Studier har visat att en kombination av vibrationsspektroskopi och röntgendiffraktion är effektiv för att belysa ytoxidationsprocesser", tillägger Prof. Nakamura.
Röntgen-CTR avslöjade att oxidbildning resulterar i ytbuckling och Pt-extraktion. SERS- och IRAS-mätningar avslöjade den potentiella och katjonberoende bildningen av tre oxidarter, nämligen infraröd (IR)-aktiv adsorberad hydroxid OH (OHad ), Raman aktivt adsorberat vatten (H2 O)annons och Raman-aktivt syre (Oad ).
Teamet fann att hydrofila katjoner som Li + stabilisera IR-aktiv OHad , vilket förhindrar skadlig oxidbildning, medan måttlig hydrofilicitet av K + har ingen skyddande effekt. Intressant nog skrymmande hydrofoba katjoner som TMA + minskar också irreversibel oxidation, liknande Li + . Speciellt fann teamet också att den elektrostatiska avstötningen mellan Raman-aktiv (H2 O)annons och angränsande Raman-aktiv Oad underlättar Pt-extraktion.
Dessa resultat tyder på att gränsyteskatjoner spelar en viktig roll i oxidbildning på Pt-ytor, vilket kan kontrolleras genom att välja lämpliga katjoner. Prof. Nakamura utvecklar dessa resultat och påpekar:"Dessa insikter är avgörande för att förstå ytoxidationsmekanismerna och EDL-strukturen, vilket kan vara fördelaktigt för att uppnå högpresterande och stabila Pt-elektrokatalysatorer för användning i nästa generations elektrokemiska anordningar."
Sammantaget tar den här studien oss ett steg längre för att uppnå en koldioxidfri framtid som drivs av rikligt och rent väte.
Mer information: Tomoaki Kumeda et al, Surface Extraction Process Under Initial Oxidation of Pt(111):Effekt av hydrofila/hydrofoba katjoner i alkaliska medier, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11334
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Chiba University
