Elettrodo di tungsteno nell'elettrodo a celle a combustibile con elettrolita polimerico

Lo sviluppo di nuovi materiali per elettrodi alternativi è essenziale affinché la cella a combustibile a elettrolita polimerico (PEFC) possa raggiungere un ampio mercato. Oggi sono richiesti elevati carichi di platino, specialmente sul catodo, per ottenere un'attività sufficiente per la riduzione dell'ossigeno. Inoltre, la degradazione dell'elettrodo causa la perdita di superficie del catalizzatore e richiede elevati carichi iniziali per mantenere le prestazioni della cella nel tempo. Ci sono problemi relativi a Pt anche sul lato dell'anodo dove l'avvelenamento del catalizzatore, ad es. CO, riduce l'attività.

Gli approcci per migliorare gli elettrodi e ridurre i loro costi sono continuamente valutati e includono catalizzatori o supporti alternativi nonché nuove strutture e morfologie dello strato di catalizzatore. Catalizzatori alternativi, basati su metalli non preziosi, leghe / miscele di Pt e / o nuovi supporti dovrebbero preferibilmente ridurre la quantità totale di Pt, aumentare l'attività ed essere stabili nell'ambiente delle celle a combustibile. Il materiale di supporto può influenzare l'attività degli effetti di spill-over e modificare la struttura elettronica del catalizzatore. Nuovi materiali di supporto possono migliorare l'attività, l'utilizzo e la stabilità del catalizzatore o del supporto stesso.

L'ossido di tungsteno è un materiale che è stato ampiamente studiato per una vasta gamma di applicazioni, principalmente, a causa delle sue proprietà elettrocromiche uniche ma anche per le sue attività elettrocatalitiche. L'elettrocromismo consente all'ossido di tungsteno di intercalare / deintercalare ioni (ad esempio H, Li, Na, K, Pb, Cd) nella sua struttura nella formazione di bronzi di tungsteno. La forma più studiata è il bronzo di tungsteno di idrogeno dove i protoni sono inseriti nella struttura di ossido come HxWO3 e 0 < x < 1. Il meccanismo di formazione del bronzo è stato oggetto di numerosi studi e si suggerisce che gli atomi di idrogeno formino legami idrossilici l'ossido di tungsteno.

La formazione del bronzo è fortemente influenzata dal contenuto di acqua, dalla porosità e anche dalla cristallinità, che a loro volta influenzano le proprietà catalitiche dell'ossido di tungsteno. Allo stesso tempo in cui i protoni possono essere incorporati nella struttura WOx, hanno anche una mobilità significativa, il che significa che WOx funziona come un conduttore protonico in queste condizioni. Poiché la formazione del bronzo di tungsteno dell'idrogeno dipende dal contenuto di acqua, è stata riportata una grande variazione nella conduttività quando si varia l'umidità relativa. Inoltre, è stato dimostrato che la Pt supportata su ossido di tungsteno influisce sulla formazione del bronzo ed è stata riportata sia una maggiore intensità dei picchi di intercalazione / deintercalazione dell'idrogeno che uno spostamento del potenziale di picco a potenziali più elevati.

L'ossido di tungsteno è stato valutato sia come supporto che come catalizzatore attivo nell'anodo delle celle a combustibile così come negli elettrodi catodici. L'ossido di tungsteno suola ha mostrato attività per l'ossidazione dell'idrogeno, che è stata attribuita all'elevata porosità e all'elevata area superficiale. I catalizzatori combinati di Pt e ossido di tungsteno sono stati studiati per l'ossidazione metanolo / etanolo, l'ossidazione del CO, l'ossidazione dell'idrogeno e la riduzione dell'ossigeno. Per l'ossidazione del metanolo, il sistema Pt on WOx ha mostrato una migliore efficienza rispetto al catalizzatore Pt a causa sia dello spill-over di idrogeno da Pt a WOx, ma anche della capacità di WOx di fornire atomi di ossigeno a bassi potenziali evitando così l'avvelenamento da CO. Altri hanno attribuito il miglioramento delle prestazioni ad una maggiore area di superficie elettrochimica attiva (ECSA) di Pt su WOx.

L'ossido di tungsteno è anche relativamente stabile in ambiente acido, che è un prerequisito per l'uso in applicazioni con celle a combustibile con elettrolita polimerico. Tuttavia, è stata segnalata una certa dissoluzione degli ossidi di tungsteno. In uno studio precedente, abbiamo esaminato l'impatto di diversi ossidi di metallo sulla stabilità e l'attività del platino nei catodi modello sottile in un PEFC. Pt su WOx mostrava un'attività migliorata per la riduzione dell'ossigeno e forse anche una stabilità migliorata rispetto al Pt da solo. Caratteristiche interessanti come la formazione di ossido di platino ridotta e la formazione di bronzo di tungsteno con idrogeno catalizzato dal platino sono state osservate anche quando Pt è stato depositato su WOx.