Wolframoxid in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenelektrode

Die Entwicklung neuer alternativer Elektrodenmaterialien ist wesentlich, damit die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) einen breiten Markt erreichen kann. Heutzutage sind hohe Platinbeladungen erforderlich, insbesondere an der Kathode, um eine ausreichende Aktivität zur Sauerstoffreduktion zu erhalten. Außerdem führt der Abbau der Elektrode zu einem Verlust der Katalysatoroberfläche und erfordert hohe Anfangsbeladungen, um die Zellleistung über die Zeit aufrechtzuerhalten. Es gibt Probleme im Zusammenhang mit Pt auch auf der Anodenseite, wo eine Vergiftung des Katalysators durch z. CO reduziert die Aktivität.

Ansätze zur Verbesserung der Elektroden und zur Reduzierung ihrer Kosten werden kontinuierlich evaluiert und umfassen alternative Katalysatoren oder Träger sowie neue Strukturen und Morphologien der Katalysatorschicht. Alternative Katalysatoren auf der Basis von Nichtedelmetallen, Pt-Legierungen / Mischungen und / oder neuen Trägern sollten vorzugsweise die Gesamtmenge an Pt reduzieren, die Aktivität erhöhen und in der Brennstoffzellenumgebung stabil sein. Das Trägermaterial kann die Aktivität durch Nebenwirkung beeinflussen sowie die elektronische Struktur des Katalysators verändern. Neue Trägermaterialien können die Aktivität, Verwendung und Stabilität des Katalysators oder des Trägers selbst verbessern.

Wolframoxid ist ein Material, das vor allem aufgrund seiner einzigartigen elektrochromen Eigenschaften, aber auch wegen seiner elektrokatalytischen Aktivitäten für eine Vielzahl von Anwendungen umfassend untersucht wurde. Der Elektrochromismus ermöglicht es Wolframoxid, Ionen (von beispielsweise H, Li, Na, K, Pb, Cd) in seine Struktur bei der Bildung von Wolframbronzen zu interkalieren / deinterkalieren. Die am meisten untersuchte Form ist die Wolframbronze, bei der Protonen als HxWO3 und 0 < x < 1 in die Oxidstruktur eingefügt werden. Der Mechanismus der Bronzebildung war Gegenstand zahlreicher Untersuchungen, und es wird vermutet, dass die Wasserstoffatome Hydroxylbindungen bilden das Wolframoxid.

Die Bronzebildung wird stark durch den Wassergehalt, die Porosität und auch die Kristallinität beeinflusst, die wiederum die katalytischen Eigenschaften von Wolframoxid beeinflussen. Während Protonen in die WOx-Struktur eingebaut werden können, weisen sie auch eine erhebliche Beweglichkeit auf, was bedeutet, dass WOx unter diesen Bedingungen als Protonenleiter fungiert. Da die Bildung von Wasserstoff-Wolframbronze vom Wassergehalt abhängt, wurde bei Variation der relativen Luftfeuchtigkeit eine große Änderung der Leitfähigkeit berichtet. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass auf Wolframoxid geträgertes Pt die Bronzebildung beeinflusst, und es wurde sowohl über eine erhöhte Intensität der Wasserstoffinterkalations- / Deinterkalations-Peaks als auch über eine Verschiebung des Peakpotentials zu höheren Potentialen berichtet.

Wolframoxid wurde sowohl als Träger als auch als aktiver Katalysator in Brennstoffzellenanoden- und Kathodenelektroden bewertet. Wolframoxid allein zeigte Aktivität für die Wasserstoffoxidation, die auf eine hohe Porosität und eine große Oberfläche zurückgeführt wurde. Kombinierte Katalysatoren auf Pt- und Wolframoxidbasis wurden für Methanol / Ethanol-Oxidation, CO-Oxidation, Wasserstoffoxidation sowie Sauerstoffreduktion untersucht. Für die Methanoloxidation hat das Pt auf WOx-System eine verbesserte Effizienz gegenüber dem Pt-Katalysator gezeigt, und zwar sowohl aufgrund des Übergießens von Wasserstoff von Pt auf WOx als auch der Fähigkeit von WOx, Sauerstoffatome mit niedrigen Potentialen bereitzustellen und dadurch eine CO-Vergiftung zu vermeiden. Andere haben die verbesserte Leistung auf eine erhöhte elektrochemische aktive Oberfläche (ECSA) von Pt auf WOx zurückgeführt.

Wolframoxid ist auch in saurer Umgebung relativ stabil, was eine Voraussetzung für den Einsatz in Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenanwendungen ist. Es wurde jedoch über eine gewisse Auflösung von Wolframoxiden berichtet. In einer früheren Studie haben wir den Einfluss verschiedener Metalloxide auf die Stabilität und Aktivität von Platin in dünnen Modellkathoden in einer PEFC untersucht. Pt auf WOx zeigte eine verbesserte Aktivität zur Sauerstoffreduktion und möglicherweise auch eine verbesserte Stabilität im Vergleich zu Pt alleine. Interessante Merkmale wie reduzierte Platinoxid-Bildung und Platin-katalysierte Bildung von Wasserstoff-Wolframbronze wurden auch beobachtet, wenn Pt auf WOx abgeschieden wurde