Volframoksiid polümeeri elektrolüütide kütuseelemendi elektroodis

Uute alternatiivsete elektroodimaterjalide väljatöötamine on hädavajalik selleks, et polümeerelektrolüüdi kütuseelement (PEFC) saaks jõuda laiale turule. Tänapäeval on vajalik suur plaatina koormus, eriti katoodil, et saada piisavat aktiivsust hapniku vähendamiseks. Lisaks põhjustab elektroodide lagunemine katalüsaatori pindala kadumise ja nõuab kõrgeid esialgseid koormusi, et säilitada rakkude jõudlust aja jooksul. Pt-ga on probleeme ka anoodipoolsel küljel, kus katalüsaatori mürgistus, nt. CO, vähendab aktiivsust.

Elektroodide parandamise ja nende kulude vähendamise meetodeid hinnatakse pidevalt ning need hõlmavad alternatiivseid katalüsaatoreid või tuge, samuti katalüsaatori kihi uusi struktuure ja morfoloogiat. Alternatiivsed katalüsaatorid, mis põhinevad mitteväärismetallidel, Pt sulamitel / segudel ja / või uudsetel toedel, peaksid eelistatavalt vähendama Pt koguhulka, suurendama aktiivsust ja olema stabiilsed kütuseelemendi keskkonnas. Tugimaterjal võib mõjutada aktiivsust nii kõrvalmõjude kui ka katalüsaatori elektroonilise struktuuri muutmise kaudu. Uued tugimaterjalid võivad parandada katalüsaatori või tugiaine aktiivsust, kasutamist ja stabiilsust.

Volframoksiid on materjal, mida on laialdaselt uuritud mitmesuguste rakenduste jaoks, peamiselt tänu oma ainulaadsetele elektrokeemilistele omadustele, vaid ka selle elektrokatalüütilistele toimingutele. Elektrokromism võimaldab volframoksiidil tungida / deintercalateerida ioonid (nt H, Li, Na, K, Pb, Cd) oma struktuuris volframi pronkside moodustumisel. Kõige laialdasemalt uuritud vorm on vesinikvolframi pronks, kus prootonid sisestatakse oksiidistruktuuri nagu HxWO3 ja 0 < x < 1. Pronkside moodustumise mehhanism on olnud paljude uuringute objektiks ja soovitatakse, et vesinikuaatomid moodustavad hüdroksüülsidemeid volframoksiidi.

pronksist moodustumist mõjutab suuresti veesisaldus, poorsus ja ka kristallilisus, mis omakorda mõjutavad volframoksiidi katalüütilisi omadusi. Samal ajal kui prootoneid saab sisestada WOx struktuuri, on neil ka märkimisväärne liikuvus, mis tähendab, et WOx toimib nendes tingimustes prootoni juhina. Kuna vesiniku volframi pronkside moodustumine sõltub veesisaldusest, on suhtelise niiskuse muutmisel teatatud juhtivuse suurest varieerumisest. Lisaks on näidatud, et volframoksiidi toetatud Pt mõjutab pronksist moodustumist ja nii vesiniku interkalatsiooni / deinterkalatsiooni piikide suurenenud intensiivsus kui ka maksimaalse potentsiaali nihkumine kõrgematele potentsiaalidele.

Volframioksiidi on hinnatud nii tugi- kui ka aktiivkatalüsaatorina nii kütuseelemendi anoodis kui ka katoodelektroodides. Ainus volframoksiid on näidanud vesiniku oksüdatsiooni aktiivsust, mis oli tingitud suurest poorsusest ja suurest pindalast. Kombineeritud Pt- ja volframoksiidipõhiseid katalüsaatoreid on uuritud metanooli / etanooli oksüdatsiooni, CO oksüdatsiooni, vesiniku oksüdatsiooni ja hapniku vähendamise suhtes. Metanooli oksüdeerimiseks on Pt on WOx süsteemil näidanud paremat efektiivsust Pt katalüsaatori suhtes nii vesiniku Pt-lt WOx-le ülekandumise kui ka WOx-i võime korral pakkuda hapniku aatomeid madala potentsiaaliga ja seega vältida CO-mürgistust. Teised on omistanud paranenud jõudluse Pt suurenenud elektrokeemilisele aktiivsele pinnale (ECSA) WOx-l.

Volframoksiid on ka happelises keskkonnas suhteliselt stabiilne, mis on polümeeri elektrolüütide kütuseelemendirakenduste kasutamise eelduseks. Siiski on teatatud volframoksiidide lahustumisest. Eelmises uuringus uurisime erinevate metalloksiidide mõju plaatina stabiilsusele ja aktiivsusele õhukeste katoodide puhul PEFC-s. Pt on WOx-il parandanud hapniku vähendamise aktiivsust ja võib-olla ka paremat stabiilsust võrreldes Pt-ga. Huvitavaid omadusi, nagu näiteks plaatinaoksiidi moodustumise vähenemine ja plaatina katalüüsitud vesiniku volframi pronkside moodustumine, nähti samuti, kui Pt deponeeriti WOx-le.