Wolfraamoxide in polymeerelektrolytbrandstofcelelektrode

Ontwikkeling van nieuwe alternatieve elektrodematerialen is essentieel om de polymeerelektrolytbrandstofcel (PEFC) in staat te stellen een brede markt te bereiken. Tegenwoordig zijn hoge platina-ladingen vereist, vooral aan de kathode, om voldoende activiteit voor zuurstofreductie te verkrijgen. Bovendien veroorzaakt elektrodeafbraak verlies van katalysatoroppervlaktegebied en vereist hoge initiële belastingen om de celprestaties in de tijd te handhaven. Er zijn problemen gerelateerd aan Pt ook aan de anodezijde waar vergiftiging van de katalysator, door b.v. CO, vermindert de activiteit.

Benaderingen om de elektroden te verbeteren en hun kosten te verlagen worden continu geëvalueerd en omvatten alternatieve katalysatoren of dragers evenals nieuwe structuren en morfologieën van de katalysatorlaag. Alternatieve katalysatoren op basis van niet-edele metalen, Pt-legeringen / mengsels en / of nieuwe dragers dienen bij voorkeur de totale hoeveelheid Pt te verminderen, de activiteit te verhogen en stabiel te zijn in de omgeving van de brandstofcel. Het dragermateriaal kan de activiteit beïnvloeden door overloopeffecten en door de elektronische structuur van de katalysator te veranderen. Nieuwe ondersteuningsmaterialen kunnen de activiteit, het gebruik en de stabiliteit van de katalysator of van de ondersteuning zelf verbeteren.

Wolfraamoxide is een materiaal dat uitgebreid is onderzocht voor een breed scala van toepassingen, voornamelijk vanwege de unieke elektrochrome eigenschappen, maar ook vanwege de elektrokatalytische activiteiten. Het elektrochromisme maakt het mogelijk dat wolfraamoxide ionen (van bijvoorbeeld H, Li, Na, K, Pb, Cd) intercaleert / de-intercaleert in zijn structuur bij de vorming van wolfraambrons. De meest bestudeerde vorm is het waterstofwolframbrons waarin protonen in de oxidestructuur als HxW03 en 0 < x < 1 worden ingebracht. Het bronzen formatiemechanisme is het onderwerp geweest van talrijke studies en er wordt gesuggereerd dat de waterstofatomen hydroxylbindingen vormen in het wolfraamoxide.

De bronzen formatie wordt sterk beïnvloed door het watergehalte, de porositeit en de kristalliniteit, die op hun beurt de katalytische eigenschappen van wolfraamoxide beïnvloeden. Op hetzelfde moment dat protonen kunnen worden opgenomen in de WOx-structuur, hebben ze ook een aanzienlijke mobiliteit, wat betekent dat WOx onder deze omstandigheden als een protongeleider fungeert. Omdat de vorming van waterstofwolframbrons afhankelijk is van het watergehalte, is een grote variatie in geleidbaarheid gemeld bij het variëren van de relatieve vochtigheid. Bovendien is aangetoond dat Pt ondersteund op wolfraamoxide de bronzen formatie beïnvloedt en zowel een verhoogde intensiteit van de waterstofintercalatie / deintercalatiepieken als een verschuiving van de piekpotentiaal naar hogere potentialen is gemeld.

Wolfraamoxide is zowel beoordeeld als drager en actieve katalysator in brandstofcelanodes als kathode-elektroden. Enig wolfraamoxide heeft activiteit voor waterstofoxidatie getoond, die werd toegeschreven aan hoge porositeit en groot oppervlak. Gecombineerde katalysatoren op basis van Pt en wolfraamoxide zijn onderzocht voor oxidatie met methanol / ethanol, CO-oxidatie, waterstofoxidatie en zuurstofreductie. Voor methanoloxidatie heeft het Pt op WOx-systeem verbeterde efficiëntie ten opzichte van Pt-katalysator getoond als gevolg van zowel het overspuiten van waterstof van Pt naar WOx, maar ook het vermogen van WOx om zuurstofatomen te verschaffen bij lage potentialen en daarbij CO-vergiftiging te vermijden. Anderen hebben de verbeterde prestaties toegeschreven aan een verhoogd elektrochemisch actief oppervlak (ECSA) van Pt op WOx.

Wolfraamoxide is ook relatief stabiel in een zure omgeving, wat een vereiste is voor gebruik in polymeerelektrolytische brandstofceltoepassingen. Er is echter enige ontbinding van wolfraamoxiden gerapporteerd. In een eerdere studie onderzochten we de impact van verschillende metaaloxiden op de stabiliteit en activiteit van platina in kathodes van dun model in een PEFC. Pt op WOx vertoonde een verbeterde activiteit voor zuurstofreductie en mogelijk ook een verbeterde stabiliteit vergeleken met Pt alleen. Interessante kenmerken zoals verminderde platinaoxidevorming en platina-gekatalyseerde waterstofwolframbronsvorming werden ook gezien als Pt werd afgezet op WOx.