Оксид вольфрама в электроде топливного элемента с полимерным электролитом

Разработка новых альтернативных электродных материалов необходима для того, чтобы топливный элемент с полимерным электролитом (PEFC) мог выйти на широкий рынок. Сегодня требуются высокие платиновые нагрузки, особенно на катоде, чтобы получить достаточную активность для восстановления кислорода. Кроме того, деградация электрода вызывает потерю площади поверхности катализатора и требует высоких начальных нагрузок для поддержания характеристик элемента с течением времени. Есть проблемы, связанные с Pt также на стороне анода, где отравление катализатора, например, СО, снижает активность.

Подходы к улучшению электродов и снижению их стоимости постоянно оцениваются и включают альтернативные катализаторы или подложки, а также новые структуры и морфологии слоя катализатора. Альтернативные катализаторы на основе недрагоценных металлов, сплавов / смесей Pt и / или новых носителей должны предпочтительно снижать общее количество Pt, увеличивать активность и быть стабильными в среде топливного элемента. Материал носителя может влиять на активность, вызывая перетекание, а также изменяя электронную структуру катализатора. Новые материалы носителя могут улучшить активность, использование и стабильность катализатора или самого носителя.

Оксид вольфрама - это материал, который был тщательно исследован для широкого спектра применений, главным образом, из-за его уникальных электрохромных свойств, а также из-за его электрокаталитической активности. Электрохромизм позволяет оксиду вольфрама интеркалировать / деинтеркалировать ионы (например, H, Li, Na, K, Pb, Cd) в его структуру при образовании вольфрамовых бронз. Наиболее широко изученной формой является водородно-вольфрамовая бронза, где протоны вставляются в оксидную структуру в виде HxWO3 и 0 < x < 1. Механизм образования бронзы был предметом многочисленных исследований, и предполагается, что атомы водорода образуют гидроксильные связи в оксид вольфрама.

На образование бронзы большое влияние оказывают содержание воды, пористость, а также кристалличность, которые, в свою очередь, влияют на каталитические свойства оксида вольфрама. В то же время, поскольку протоны могут быть включены в структуру WOx, они также обладают значительной подвижностью, что означает, что WOx функционирует в качестве протонного проводника в этих условиях. Поскольку образование водородной вольфрамовой бронзы зависит от содержания воды, при изменении относительной влажности отмечается значительное изменение проводимости. Кроме того, было показано, что Pt, нанесенный на оксид вольфрама, влияет на образование бронзы, и сообщалось как об увеличении интенсивности пиков интеркаляции / деинтеркаляции водорода, так и о смещении пикового потенциала в сторону более высоких потенциалов.

Оксид вольфрама был оценен как носитель и активный катализатор в аноде топливного элемента, а также в катодных электродах. Единственный оксид вольфрама проявил активность в отношении окисления водорода, что объясняется высокой пористостью и большой площадью поверхности. Комбинированные катализаторы на основе Pt и оксида вольфрама были исследованы на окисление метанола / этанола, окисление CO, окисление водорода, а также восстановление кислорода. Что касается окисления метанола, то система Pt на WOx показала улучшенную эффективность по сравнению с катализатором Pt благодаря как переливу водорода с Pt на WOx, так и способности WOx обеспечивать атомы кислорода при низких потенциалах и, таким образом, избегать отравления СО. Другие приписывают улучшенные характеристики увеличению площади электрохимической активной поверхности (ECSA) Pt на WOx.

Оксид вольфрама также относительно стабилен в кислой среде, что является обязательным условием для использования в топливных элементах с полимерным электролитом. Однако сообщалось о некотором растворении оксидов вольфрама. В предыдущем исследовании мы исследовали влияние различных оксидов металлов на стабильность и активность платины в тонких модельных катодах в PEFC. Pt на WOx действительно проявлял улучшенную активность по восстановлению кислорода и, возможно, также улучшенную стабильность по сравнению с одним Pt. Интересные особенности, такие как пониженное образование оксида платины и образование катализируемой платиной водородно-вольфрамовой бронзы, также были обнаружены при осаждении Pt на WOx.