I protoni (particelle subatomiche) possono essere trasferiti dall'anodo al catodo attraverso la membrana ionomera nelle celle a combustibile a elettrolita polimerico (PEFC). Gli scienziati possono estendere i percorsi dei protoni impregnando lo ionomero (tipo di polimero) negli elettrodi per ottenere una migliore efficienza di trasferimento dei protoni. Poiché lo ionomero impregnato può legare meccanicamente i catalizzatori all'interno dell'elettrodo, sono conosciuti come leganti. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Chi-Yeong Ahn e un team di ricerca hanno introdotto un approccio semplice per utilizzare un fluido supercritico e preparare una dispersione omogenea su nanoscala di materiale legante in alcol acquoso. Il preparato ha mostrato un elevato carattere di dispersione, cristallinità e conducibilità protonica per applicazioni durevoli e ad alte prestazioni in un elettrodo catodico PEFC.

Le celle a combustibile a elettrolita polimerico (PEFC) sono dispositivi elettrochimici in grado di convertire in modo efficiente l'energia chimica del carburante direttamente in energia elettrica. I PEFC sono ampiamente influenzati da componenti chiave tra cui membrane elettrolitiche polimeriche, catalizzatori e ionomeri di acido solfonico perfluorurato (PFSA). Le reazioni redox che si verificano in un PEFC si verificano principalmente all'interfaccia dell'elettrodo nota come limite di fase tripla (TPB) in corrispondenza della quale i gas reagenti (H ₂ all'anodo e O ₂ al catodo) possono entrare in contatto con particelle di catalizzatore di platino (Pt), su materiali carboniosi conduttori di elettroni (da cui la tripla fase). In questo studio, Ahn et al. ha descritto una dispersione ionomera con una dimensione media delle particelle colloidale molto più piccola delle dispersioni disponibili in commercio trattando una membrana di Nafion 117 con alcool alifatico in condizioni supercritiche. La membrana di Nafion, un marchio per una membrana di acido solfonico perfluorurato (PFSA) introdotta da E. I. du Pont de Nemours and Company negli anni '60, può separare il compartimento anodo e catodo nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico e negli elettrolizzatori ad acqua.

I fluidi supercritici (SCF) sono ampiamente utilizzati nell'industria e nella ricerca per sintetizzare medicine speciali, polimeri e nanomateriali, con applicazioni aggiuntive per preparare materiali per studi elettrochimici. Però, i ricercatori devono ancora esplorare l'efficacia degli ionomeri dell'acido solfonico perfluorurato superacido (PFSA) come leganti degli elettrodi. Per realizzare questo, Ahn et al. prima dispersione di ionomeri ottenuta in laboratorio trattando una membrana di Nafion disponibile in commercio in un mezzo acquoso di alcol isopropilico (IPA) allo stato di fluido supercritico (SCF). Quindi, utilizzando l'analisi della diffusione dinamica della luce, i ricercatori hanno osservato distribuzioni di particelle ionomeriche con dimensioni inferiori a 100 nm e hanno chiamato la dispersione prodotta in laboratorio "nanodispersione" (ND). Il ND ha subito una transizione di fase da dispersione acquosa a solido, per il suo utilizzo come legante catodico. Usando l'analisi di diffrazione dei raggi X (XRD) hanno ottenuto le cristallinità di ND e le hanno mostrate come catene semicristalline impacchettate uniformemente con regolarità migliorata, rispetto a Nafion D521 utilizzato in altri sistemi PEFC. La migliorata conduttività protonica del ND implicava una resistenza inferiore; prevedere un alto livello di prestazioni dell'assieme membrana-elettrodo (MEA) per il funzionamento a cella singola.

Ahn et al. caratterizzato (testato) la dispersione ionomera realizzata con SCF, utilizzando la microscopia elettronica a scansione per osservare la topografia e la porosimetria a intrusione di mercurio (MIP) per misurare le porosità. Hanno osservato una superficie relativamente uniforme del ND sulla superficie MEA (membrane-electrode assembly); lo ionomero ND è stato ben disperso sul catalizzatore Pt/C nella sospensione di inchiostro per preparare il MEA per cominciare. In base alle morfologie e alla distribuzione delle dimensioni dei pori del catalizzatore, il ND aveva una migliore disperdibilità dello ionomero per l'uso del carburante all'interno dell'assieme membrana-elettrodo.

Il contenuto di legante per la formulazione dell'elettrodo era importante in quanto uno dei componenti che determinava il triplo confine di fase (TPB). Gli scienziati hanno regolato il rapporto ionomero negli elettrodi ogni volta che uno dei componenti dell'elettrodo veniva cambiato. Per comprendere le prestazioni degli ionomeri, hanno rilevato le prestazioni elettrochimiche dei MEA utilizzando catodi con il 30% in peso di D521 (MEA-0) contro 10, 20, e 30 percento in peso ND (MEA-10, MEA-20 e MEA-30). Le prestazioni del MEA sono aumentate con il contenuto di ionomeri. Hanno determinato una quantità appropriata di ionomero per la fabbricazione di MEA e hanno deciso per MEA-20, che ha esibito le prestazioni più elevate in un'atmosfera di ossigeno. Quando hanno misurato le prestazioni elettrochimiche dei MEA nell'aria, le prestazioni della cella a combustibile sono diminuite a causa della presenza di azoto inerte e di ridotte concentrazioni di ossigeno.

Per comprendere le prestazioni delle singole celle e la durata elettrochimica, il team ha selezionato due campioni (MEA-0 e MEA-20) e ha condotto lo stress test accelerato (AST). Hanno eseguito l'AST utilizzando un metodo di ciclaggio del carico, che ha causato una grave degradazione dell'elettrodo catodico. Il grado di degradazione elettrochimica dipendeva dal tipo di ionomero utilizzato nel catodo. Per esempio, MEA-20 (ionomero ND) ha mantenuto le sue prestazioni elettrochimiche al 3,33 percento in presenza di ossigeno e la sua durata elettrochimica è aumentata di circa sei volte rispetto a quella di MEA-0, rispetto alla densità di corrente.

Anche dopo gli stress test accelerati (AST), la densità di corrente di MEA-20 era superiore alla densità di corrente iniziale di MEA-0. La degradazione del catalizzatore era quindi grave in MEA-0 ma appena percettibile in MEA-20. Ahn et al. accreditato l'alto peso molecolare e la migliore cristallinità dello ionomero costituente per giustificare la migliore tolleranza elettrochimica dell'elettrodo ND, che ha aiutato a prevenire la degradazione del catalizzatore. Hanno eseguito la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per confermare i cambiamenti fisici nell'elettrodo dopo AST e hanno notato una minore degradazione del catalizzatore nell'elettrodo ND. La durata elettrochimica estremamente migliorata era dovuta alla migliore resistenza meccanica basata sull'alto peso molecolare e al migliorato carattere cristallino del ND, che era più difficile da lavare via durante la funzione PEFC.

In questo modo, Chi-Yeong Ahn e colleghi hanno dimostrato la preparazione e la caratterizzazione dello ionomero ND contenente una dimensione media delle particelle inferiore allo ionomero D521 (che aveva un'architettura chimica identica e un peso equivalente). Hanno confermato l'efficacia elettrochimica di ND come materiale legante catodico e hanno osservato morfologie uniche per lo ionomero ND ottenuto dal processo SCF (fluido supercritico). Queste morfologie corrispondevano a una migliore conduttività protonica e prestazioni di singole cellule, risultanti da un'efficace via di trasporto protonico. Il contenuto cristallino e il peso molecolare più elevati di ND hanno migliorato la resistenza meccanica e la durata della MEA di un fattore sei a una densità di corrente di 0,6 V. I risultati hanno mostrato prestazioni e durata migliorate degli elettrodi PEFC. Il team di ricerca si aspetta che l'elettrodo migliori ulteriormente le prestazioni e la durata applicando lo ionomero appena formato con un catalizzatore ad alte prestazioni all'interno di una cella a combustibile con elettrolita polimerico.

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