Wolframoxid i polymerelektrolytbränslecellelektroden

Utveckling av nya alternativa elektrodmaterial är viktigt för att polymerelektrolytbränslecellen (PEFC) ska kunna nå en bred marknad. I dag krävs höga platinbelastningar, särskilt på katoden, för att erhålla tillräcklig aktivitet för syrereduktion. Dessutom orsakar elektrodnedbrytning förlust av katalysatorns ytarea och kräver höga initialbelastningar för att upprätthålla cellens prestanda över tiden. Det finns problem relaterade till Pt också på anodsidan där förgiftning av katalysatorn, t.ex. CO, minskar aktiviteten.

Metoder för att förbättra elektroderna och minska deras kostnader utvärderas kontinuerligt och inkluderar alternativa katalysatorer eller bärare samt nya strukturer och morfologier av katalysatorskiktet. Alternativa katalysatorer baserade på icke-ädelmetaller, Pt-legeringar / blandningar och / eller nya bärare bör företrädesvis minska den totala mängden Pt, öka aktiviteten och vara stabil i bränslecellmiljön. Stödmaterialet kan påverka aktiviteten genom spill-over-effekter samt ändra katalysatorns elektroniska struktur. Nya stödmaterial kan förbättra aktiviteten, utnyttjandet och stabiliteten hos katalysatorn eller själva bäraren.

Tungstenoxid är ett material som har undersökts omfattande för ett brett användningsområde, främst på grund av dess unika elektrokromiska egenskaper men även för dess elektrokatalytiska aktiviteter. Elektrokromismen tillåter volframoxid att interkala / deinterkala joner (t ex H, Li, Na, K, Pb, Cd) i sin struktur vid bildning av volframbrons. Den mest studerade formen är vätewolframbronsen där protoner införs i oxidstrukturen som HxWO3 och 0 < x < 1. Bronsbildningsmekanismen har varit föremål för många studier och det föreslås att väteatomer bildar hydroxylbindningar i volframoxiden.

Bronsbildningen påverkas starkt av vattenhalten, porositeten och även kristalliniteten, som i sin tur påverkar de katalytiska egenskaperna hos volframoxid. Samtidigt som protoner kan införlivas i WOx-strukturen har de också en betydande rörlighet vilket innebär att WOx fungerar som protonledare under dessa betingelser. Eftersom vätevolframbronsbildning är beroende av vattenhalten har stor variation i ledningsförmåga rapporterats vid variation av relativ fuktighet. Vidare har Pt som stöds på volframoxid visat sig påverka bronsbildningen och både en ökad intensitet av väteinterkalation / deintercalationstopparna samt en förändring av topppotentialen till högre potentialer har rapporterats.

Tungstenoxid har utvärderats både som stöd och aktiv katalysator i bränslecellanod såväl som katodelektroder. Ensam volframoxid har visat aktivitet för väteoxidation, vilket tillskrives hög porositet och hög yta. Kombinerade Pt- och volframoxidbaserade katalysatorer har undersökts för metanol / etanoloxidation, CO-oxidation, väteoxidation såväl som syrereduktion. För metanoloxidering har Pt på WOx-systemet visat förbättrad verkningsgrad över Pt-katalysatorn på grund av både överföringen av väte från Pt till WOx men även Wxs förmåga att tillhandahålla syreatomer vid låga potentialer och därmed undvika CO-förgiftning. Andra har tillskrivit förbättrad prestanda till en ökad elektrokemisk aktiv yta (ECSA) av Pt på WOx.

Tungstenoxid är också relativt stabil i sur miljö, vilket är en förutsättning för användning i polymerelektrolytbränslecellstillämpningar. En viss upplösning av volframoxider har emellertid rapporterats. I en tidigare studie undersökte vi effekterna av olika metalloxider på stabiliteten och aktiviteten hos platina i tunnmodellkatoder i en PEFC. Pt på WOx uppvisade en förbättrad aktivitet för syrereduktion och möjligen även en förbättrad stabilitet jämfört med Pt ensam. Intressanta egenskaper såsom minskad platinoxidbildning och platinkatalyserad vätevolframbronsbildning upplevdes också när Pt avsattes på WOx.