Исследователи разрабатывают селективный катализатор, сдерживающий коррозию автомобильных топливных элементов

Исследовательская группа под руководством профессора Ён-Тэ Кима и кандидата наук Сан-Хун Ю из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH) разработала селективный катализатор, который сдерживает коррозию в топливных элементах, используемых в автомобилях с водородными двигателями.

Настроив реакцию окисления водорода в соответствии с концентрацией водорода в топливном элементе, команда смогла предотвратить коррозию топливных элементов. Исследование было опубликовано в журнале ACS Energy Letters.

Топливные элементы подвержены многочисленным факторам, которые ухудшают их долговечность. Одним из них является деградация, особенно катодного катализатора, который регулярно подвергается воздействиям при запуске и остановке автомобилей. Во время нормальной работы автомобиля топливные элементы постоянно снабжаются водородом высокой концентрации, но концентрация водорода временно снижается, когда автомобиль выключается или заводится. Следовательно, когда внешний воздух смешивается с водородом внутри топливных элементов, запускается непреднамеренная реакция восстановления кислорода в аноде, что приводит к внезапным скачкам потенциала и углеродной коррозии катода.

Левый. На рисунке изображен перелив водорода, при котором TiO2 претерпевает трансформацию в TiOOH в условиях высокой концентрации водорода, что способствует подвижности водорода на поверхности и, следовательно, обеспечивает проводимость. Верно. На рисунке видно, что в условиях относительно низкой концентрации водорода сильное взаимодействие Pt и TiO2 приводит к покрытию Pt TiO2. 1 кредит

Исследовательская группа разработала катализатор (Pt/TiO2), состоящий из платины (Pt), нанесенной на диоксид титана (TiO2), который эффективно останавливает коррозию топливных элементов, используемых в автомобилях с водородным двигателем. Эффективность этого электрокатализатора обусловлена ​​прочным взаимодействием между диоксидом титана и платиной, а также способностью перетекания водорода изменять поверхностную проводимость материала в ответ на концентрацию водорода вблизи него.

Когда транспортное средство внезапно останавливается или заводится, концентрация водорода в топливе соответственно снижается. В результате такого снижения концентрации водорода происходит расширение диоксида титана на платину, в результате чего платина оказывается скрытой под поверхностью катализатора. Это захоронение платины, вызванное расширением диоксида титана, в конечном итоге превращает катализатор в изолятор из-за низкой проводимости диоксида титана.

Этот изолирующий эффект препятствует способности катализатора проводить электричество, тем самым предотвращая нежелательное восстановление кислорода, которое может вызвать внезапные скачки потенциала на катоде.

И наоборот, при стандартной работе концентрация водорода остается высокой. В условиях такой высокой концентрации водорода платина с высокой проводимостью обнажается на поверхности катализатора, и происходит восстановление диоксида титана, что способствует подвижности водорода на поверхности катализатора. Это явление, называемое переливом водорода, усиливает ток и усиливает реакцию окисления водорода.

Исследовательская группа также провела симуляционное испытание, чтобы сравнить недавно разработанный катализатор и традиционные катализаторы. Результаты испытаний показали, что топливные элементы с катализатором Pt/TiO2 обладают в три раза большей долговечностью по сравнению с традиционными топливными элементами.

Это исследование было проведено при поддержке Программы открытия будущих материалов, Проекта развития инновационных технологий в области водородной энергетики и Программы исследователей среднего звена Национального исследовательского фонда Кореи.

Ресурсы

Сан-Хун Ю, Сан-Мун Юнг, Кю-Су Ким, Джинхён Ли, Джинкю Пак, Хо Ён Чан, Сангён Шин, Хёнджу Ли, Соин Бэк, Джину Ли и Ён-Тэ Ким (2023) «Повышенная долговечность автомобильной промышленности» Топливные элементы посредством реализации селективности за счет перетока водорода на поверхность электрокатализатора» ACS Energy Letters 8 (5), 2201-2213 doi: 10.1021/acsenergylett.2c02656