Oxyde de tungstène dans l'électrode de pile à combustible à électrolyte polymère

Le développement de nouveaux matériaux pour électrodes est essentiel pour que la pile à combustible à électrolyte polymère (PEFC) puisse atteindre un vaste marché. De nos jours, de fortes charges de platine sont nécessaires, en particulier sur la cathode, pour obtenir une activité suffisante pour la réduction de l'oxygène. De plus, la dégradation de l'électrode entraîne une perte de surface du catalyseur et nécessite des charges initiales élevées pour maintenir les performances de la cellule dans le temps. Il y a des problèmes liés au Pt également du côté anode où l'empoisonnement du catalyseur, par ex. CO, réduit l'activité.

Les approches visant à améliorer les électrodes et à réduire leurs coûts sont continuellement évaluées et incluent des catalyseurs ou des supports alternatifs ainsi que de nouvelles structures et morphologies de la couche de catalyseur. Des catalyseurs alternatifs à base de métaux non précieux, d'alliages / mélanges de platine et / ou de nouveaux supports devraient de préférence réduire la quantité totale de platine, augmenter l'activité et être stables dans l'environnement de la pile à combustible. Le matériau de support peut influencer l'activité par des effets de débordement ainsi que par la modification de la structure électronique du catalyseur. De nouveaux matériaux de support peuvent améliorer l'activité, l'utilisation et la stabilité du catalyseur ou du support lui-même.

L’oxyde de tungstène est un matériau qui a fait l’objet de nombreuses recherches dans de nombreuses applications, principalement en raison de ses propriétés électrochromiques uniques, mais également pour ses activités électrocatalytiques. L'électrochromisme permet à l'oxyde de tungstène d'intercaler / de désentrelacer des ions (de H, Li, Na, K, Pb, Cd, par exemple) dans sa structure lors de la formation de bronzes de tungstène. La forme la plus étudiée est le bronze à l'hydrogène de tungstène dans lequel les protons sont insérés dans la structure de l'oxyde sous forme de HxWO3 et 0 < x < 1. Le mécanisme de formation du bronze a fait l'objet de nombreuses études et il est suggéré que les atomes d'hydrogène forment des liaisons hydroxyles dans l'oxyde de tungstène.

La formation de bronze est grandement affectée par la teneur en eau, la porosité et la cristallinité, qui affectent à leur tour les propriétés catalytiques de l’oxyde de tungstène. En même temps que les protons peuvent être incorporés dans la structure WOx, ils ont également une mobilité importante, ce qui signifie que WOx fonctionne comme un conducteur protonique dans ces conditions. Étant donné que la formation de bronze à base d'hydrogène et de tungstène dépend de la teneur en eau, une variation importante de la conductivité a été observée lors de la variation de l'humidité relative. De plus, il a été démontré que le platine supporté sur l’oxyde de tungstène affectait la formation de bronze et que l’intensité accrue des pics d’intercalation / désintercalation de l’hydrogène ainsi que le déplacement du potentiel de pic à des potentiels plus élevés ont été rapportés.

L’oxyde de tungstène a été évalué à la fois comme support et catalyseur actif dans l’anode de la pile à combustible ainsi que dans les électrodes cathodiques. L’oxyde de tungstène unique a montré une activité pour l’oxydation de l’hydrogène, attribuée à une porosité élevée et à une grande surface spécifique. Des catalyseurs combinés à base de Pt et d'oxyde de tungstène ont été étudiés pour l'oxydation méthanol / éthanol, l'oxydation du CO, l'oxydation de l'hydrogène ainsi que la réduction de l'oxygène. Pour l'oxydation du méthanol, le système Pt ​​sur WOx a montré une efficacité améliorée par rapport au catalyseur au Pt, à la fois par le transfert d'hydrogène de Pt en WOx, mais également par la capacité du WOx à fournir des atomes d'oxygène à faible potentiel, évitant ainsi un empoisonnement au CO. D'autres ont attribué l'amélioration des performances à une augmentation de la surface active électrochimique (ECSA) de Pt sur WOx.

L’oxyde de tungstène est également relativement stable en environnement acide, ce qui est une condition préalable à une utilisation dans les applications de piles à combustible à électrolyte polymère. Cependant, une certaine dissolution des oxydes de tungstène a été rapportée. Dans une étude précédente, nous avons examiné l'impact de différents oxydes métalliques sur la stabilité et l'activité du platine dans des modèles de cathodes minces dans un PEFC. Le Pt sur le WOx présentait une activité améliorée pour la réduction de l'oxygène et éventuellement aussi une stabilité améliorée par rapport au Pt seul. Des caractéristiques intéressantes telles que la formation réduite d’oxyde de platine et la formation de bronze à l’hydrogène, de tungstène-bronze catalysé au platine ont également été observées lors du dépôt de Pt sur du papier WOx.