Il lavoro è pubblicato nel Journal of American Chemical Society .

Le celle a combustibile a idrogeno convertono l'energia chimica dell'idrogeno in energia elettrica attraverso reazioni separate di combustibili a idrogeno e agenti ossidanti (ossigeno). Tra le celle a combustibile a idrogeno, le celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica ad alta temperatura (HT-PEMFC) sono interessanti per le fonti di elettricità microstazionarie. Uno svantaggio di questi HT-PEMFC è che l'acido fosforico (H₃ PO₄ ) il conduttore di protoni fuoriesce dall'H₃ PO₄ -membrana di polibenzimidazolo drogata e avvelena il catalizzatore di platino.

Studi recenti mostrano ulteriori complicazioni durante il funzionamento dell'HT-PEMFC, dove alcuni degli H₃ PO₄ potrebbe essere ridotto a H₃ PO₃ , che potrebbe avvelenare ulteriormente i catalizzatori al platino, portando a una significativa perdita di prestazioni.

Uno studio precedente condotto dal team del Prof. Dr. Marcus Bär ha dimostrato che processi opposti avvengono anche nell'interfaccia tra Pt e H₃ acquoso PO₃ e che le interazioni tra il catalizzatore di platino e l'H₃ PO₃ /H₃ PO₄ sono molto complessi:mentre H₃ PO₃ può portare all'avvelenamento del catalizzatore di platino, allo stesso tempo il platino potrebbe catalizzare l'ossidazione di H₃ PO₃ torna a H₃ PO₄ .

Esperimenti in condizioni realistiche

Per studiare il comportamento di ossidazione dell'H₃ acquoso PO₃ in condizioni prossime a quelle di lavoro degli HT-PEMFC, il team di Bär ha ora analizzato i processi chimici utilizzando una cella elettrochimica riscaldabile progettata internamente compatibile per studi a raggi X in situ presso la stazione finale OÆSE recentemente allestita presso l'Energy Materials In -situ Laboratorio Berlino (EMIL).

Hanno utilizzato un’intensa luce a raggi X nella tenera gamma di energia dei raggi X (2 keV–5 keV), fornita dalla linea di luce EMIL alla sorgente di raggi X BESSY II. In questo intervallo di energia, la spettroscopia della struttura del bordo vicino di assorbimento dei raggi X (XANES) sul bordo P K viene utilizzata per monitorare i processi di ossidazione da H₃ PO₃ a H₃ PO₄ .

Diverse reazioni di ossidazione esaminate

"Abbiamo così scoperto diversi processi per questa reazione di ossidazione, tra cui l'ossidazione chimica catalizzata dal platino, l'ossidazione elettrochimica sotto polarizzazione del potenziale positivo sull'elettrodo di platino e l'ossidazione promossa dal calore. Questi risultati spettroscopici in situ sono confermati anche dalla cromatografia a scambio ionico e caratterizzazioni elettrochimiche in situ," spiega Enggar Wibowo, primo autore dello studio e Ph.D. candidato nel team di Bär.

"Sorprendentemente, tutti questi percorsi di ossidazione coinvolgono reazioni con l'acqua, il che dimostra che l'umidità all'interno della cella a combustibile ha un'influenza significativa su questi processi."

Inoltre, i risultati indicano anche possibili miglioramenti delle condizioni operative delle celle a combustibile HT-PEM, ad es. controllando l'umidificazione per ossidare l'H₃ PO₃ torna a H₃ PO₄ .

"Corrispondenti aggiustamenti alle condizioni operative degli HT-PEMFC potrebbero essere implementati per prevenire l'avvelenamento del catalizzatore da parte di H₃ PO₃ e migliorare l'efficienza di tali celle a combustibile," sottolinea Wibowo.

"Il lavoro chiarisce un percorso chiave di degradazione delle celle a combustibile e rappresenta un contributo sulla strada verso un H₂ "approvvigionamento energetico basato sull'energia", afferma il Prof. Dott.-Ing. Marcus Bär. "Ciò dimostra anche il grande vantaggio dei raggi X teneri e attendiamo con impazienza BESSY III, che mira a colmare il divario dei raggi X teneri ."