REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Naprave za elektrokemično pretvorbo energije, kot so gorivne celice (FC) in vodni elektrolizatorji (WE), so pritegnile pozornost znanstvene skupnosti zaradi svoje edinstvene sposobnosti shranjevanja električne energije v obliki vodika in nato ustvarjanja električne energije z obratnim procesom. Na žalost so te naprave odvisne od znatne količine plemenitih kovin platinske skupine (PGM) – redkih in dragih surovin – za kataliziranje vključenih reakcij, tj. katalizatorjev na osnovi platine za reakcijo redukcije kisika (ORR) in reakcijo oksidacije vodika (HOR) v protonsko izmenjevalno membrano (PEM) FC in iridij za reakcijo sproščanja kisika (OER) na eni strani WE in Pt za reakcijo sproščanja vodika (HER) na drugi strani. Visoke cene in pomanjkanje materialov so ozko grlo za široko uporabo teh tehnologij in upočasnjujejo prehod na čisto energijo. Zato je izrednega pomena zmanjšanje stroškov in porabe PGM ob ohranjanju enakih zmogljivosti, aktivnosti in stabilnosti. Za optimizacijo uporabe PGM se pogosto uporablja več strategij, kot je uporaba nosilca z visoko površino, odlaganje plemenitih kovin kot nanodelcev ali zlitje PGM z manj plemenitimi kovinami. V primeru PEMFC (ORR in HOR) so se te metode izkazale za učinkovite in Pt-M (M je Co, Cu, Ni ali Fe), podprt na sajah, s PtCo postaja najsodobnejši katalizator že v uporabi v avtomobilih. Kljub temu nobena ustrezna podpora ni bila splošno sprejeta kot najsodobnejša podpora za katalizatorje OER v kislih medijih. Dejansko ogljika ni mogoče uporabiti v zelo oksidativnem okolju OER, kjer oksidira v CO2. Poleg tega zlitje Ir z nekaterimi manj plemenitimi kovinami povzroči močno izpiranje med OER in zastrupitev v WE. Zato je še vedno treba najti prevodno visoko površino in stabilno podporo. Druga možnost za znižanje skupne cene teh tehnologij je njihova združitev v eno enotno regenerativno gorivno celico (URFC), ki lahko deluje kot FC, ko je potrebna električna energija, in kot WE, ko je na voljo presežek energije. V tej napravi bi moral biti en katalizator sposoben izvajati tako HOR kot HER, in sicer katalizator z ultra nizko količino Pt na ogljiku. Po drugi strani pa je za ORR in OER trenutni najsodobnejši bifunkcionalni katalizator fizikalna mešanica nepodprtih Pt in Ir praškov. Prvi trenutno ni primeren za velikoserijsko proizvodnjo, saj še vedno zahteva znatne količine PGM. Kljub temu bi nanodelci Pt/Ir, odloženi na ustrezno podlago, ki lahko prenese pogoje OER, v idealnem primeru omogočili znižanje cene tehnologije ob ohranjanju enakih zmogljivosti. Material, izbran kot potencialna podpora, je bil titanov oksinitrid (TiONx). Dejansko je TiO2 stabilen v pogojih OER, vendar ni prevoden, medtem ko je TiN prevoden, vendar ni tako stabilen. Zato je bil TiONx raziskan, saj bi lahko pokazal najboljše lastnosti obeh. Najprej so to podporo proučevali v kombinaciji z Ir nanodelci za OER. Modifikacija z dodajanjem karbonske šablone je bila uporabljena za dodatno povečanje površine katalizatorja. Končno so bili različni kovinski nanodelci, ki lahko katalizirajo katalizatorje ORR in OER, naneseni na naš z ogljikom modificiran TiONx in raziskana je bila učinkovitost tega bifunkcionalnega nanokompozita. Izbira spojin za katalizator ORR je bila narejena po natančni primerjavi različnih Pt-zlitin, medtem ko je bil Ir + Ru uporabljen za OER.