Óxido de tungstênio em eletrodo de célula de combustível de eletrólito de polímero

O desenvolvimento de novos materiais de eletrodos alternativos é essencial para que a célula de combustível de eletrólito de polímero (PEFC) seja capaz de atingir um amplo mercado. Hoje, altas cargas de platina são necessárias, especialmente no cátodo, para obter atividade suficiente para a redução de oxigênio. Além disso, a degradação do eletrodo causa perda de área superficial do catalisador e requer altas cargas iniciais para manter o desempenho da célula ao longo do tempo. Existem problemas relacionados com Pt também no lado do ânodo, onde o envenenamento do catalisador, por ex. CO reduz a atividade.

As abordagens para melhorar os eletrodos e reduzir seus custos são continuamente avaliadas e incluem catalisadores ou suportes alternativos, bem como novas estruturas e morfologias da camada de catalisador. Catalisadores alternativos, baseados em metais não preciosos, ligas / misturas de Pt e / ou novos suportes devem preferivelmente reduzir a quantidade total de Pt, aumentar a atividade e ser estáveis ​​no ambiente da célula de combustível. O material de suporte pode influenciar a atividade por efeitos de transbordamento, além de alterar a estrutura eletrônica do catalisador. Novos materiais de suporte podem melhorar a atividade, utilização e estabilidade do catalisador ou do próprio suporte.

O óxido de tungstênio é um material que tem sido extensivamente investigado para uma ampla gama de aplicações, principalmente, devido às suas propriedades eletrocrômicas únicas, mas também por suas atividades eletrocatalíticas. O electrocromismo permite ao óxido de tungsténio intercalar / desintercalar iões (por exemplo H, Li, Na, K, Pb, Cd) na sua estrutura na formação de bronzes de tungsténio. A forma mais amplamente estudada é o hidrogênio tungstênio bronze onde prótons são inseridos na estrutura de óxido como HxWO3 e 0 < x < 1. O mecanismo de formação de bronze tem sido o assunto para numerosos estudos e é sugerido que os átomos de hidrogênio formam ligações de hidroxila em o óxido de tungstênio.

A formação de bronze é grandemente afetada pelo teor de água, porosidade e também cristalinidade, que por sua vez afetam as propriedades catalíticas do óxido de tungstênio. Ao mesmo tempo que os protões podem ser incorporados na estrutura WOx, eles também têm uma mobilidade significativa, o que significa que o WOx funciona como um condutor de protões sob estas condições. Uma vez que a formação de bronze de hidrogênio-tungstênio é dependente do teor de água, uma grande variação na condutividade foi relatada ao variar a umidade relativa. Além disso, o Pt suportado em óxido de tungstênio tem mostrado afetar a formação de bronze e tanto um aumento na intensidade dos picos de intercalação / desintercalaç˜ao de hidrogênio como um deslocamento do potencial de pico para potenciais mais altos foi relatado.

O óxido de tungstênio foi avaliado como suporte e catalisador ativo no ânodo da célula de combustível, bem como eletrodos de cátodo. O óxido de tungstênio único apresentou atividade para a oxidação de hidrogênio, o que foi atribuído à alta porosidade e à alta área superficial. Catalisadores combinados de Pt e óxido de tungstênio têm sido investigados para oxidação de metanol / etanol, oxidação de CO, oxidação de hidrogênio e redução de oxigênio. Para a oxidação do metanol, o sistema Pt no WOx mostrou melhor eficiência sobre o catalisador de Pt devido ao extravasamento de hidrogênio do Pt para o WOx, mas também a capacidade do WOx de fornecer átomos de oxigênio a baixos potenciais e assim evitar envenenamento por CO. Outros atribuíram o melhor desempenho a uma área de superfície eletroquímica aumentada (ECSA) de Pt em WOx.

O óxido de tungstênio também é relativamente estável em ambiente ácido, o que é um pré-requisito para o uso em aplicações de célula de combustível de eletrólito de polímero. No entanto, alguma dissolução de óxidos de tungstênio foi relatada. Em um estudo anterior, examinamos o impacto de diferentes óxidos metálicos na estabilidade e atividade da platina em catodos modelo finos em um PEFC. O Pt em WOx exibiu uma actividade melhorada para redução de oxigénio e possivelmente também uma estabilidade melhorada em comparação com Pt sozinho. Características interessantes, como formação reduzida de óxido de platina e formação de bronze de tungstênio hidrogenado catalisada por platina, também foram observadas quando a Pt foi depositada em WOx.