Células de combustível:Processos de oxidação do ácido fosforoso revelados por raios X sensíveis
A ilustração mostra quatro vias de oxidação diferentes (1-4) de ácido fosfórico aquoso (H3 PO3 ), o que poderia ser elucidado por XANES no BESSY II. Todas estas reações dependem da umidade presente. Crédito:HZB/JACS As interações entre o ácido fosforoso e o catalisador de platina em células a combustível PEM de alta temperatura são mais complexas do que se supunha anteriormente. Experimentos no BESSY II com raios X suaves decodificaram os múltiplos processos de oxidação na interface platina-eletrólito. Os resultados indicam que variações na umidade podem influenciar alguns desses processos, a fim de aumentar a vida útil e a eficiência das células a combustível.
O trabalho foi publicado no Journal of the American Chemical Society .
As células a combustível de hidrogênio convertem a energia química do hidrogênio em energia elétrica por meio de reações separadas de combustíveis de hidrogênio e agentes oxidantes (oxigênio). Entre as células a combustível de hidrogênio, as células a combustível de membrana eletrolítica de polímero de alta temperatura (HT-PEMFCs) são atraentes para fontes de eletricidade microestacionárias. Uma desvantagem destes HT-PEMFCs é que o ácido fosfórico (H3 PO4 ) o condutor de prótons sai do H3 PO4 membrana de polibenzimidazol dopada e envenena o catalisador de platina.
Estudos recentes mostram complicações adicionais durante a operação do HT-PEMFC, onde alguns dos H3 PO4 pode ser reduzido para H3 PO3 , o que pode envenenar ainda mais os catalisadores de platina, levando a uma perda significativa de desempenho.
Um estudo anterior da equipe do Prof. Marcus Bär mostrou que processos opostos também ocorrem na interface entre Pt e H3 aquoso PO3 e que as interações entre o catalisador de platina e o H3 PO3 /H3 PO4 são muito complexos:enquanto H3 PO3 pode levar ao envenenamento do catalisador de platina, ao mesmo tempo que a platina pode catalisar a oxidação de H3 PO3 voltar para H3 PO4 .
Experimentos em condições realistas
A fim de investigar o comportamento de oxidação do H3 aquoso PO3 sob condições próximas às condições de trabalho dos HT-PEMFCs, a equipe de Bär analisou agora os processos químicos usando uma célula eletroquímica aquecível projetada internamente, compatível para estudos de raios X in situ na estação final OÆSE recentemente instalada em Energy Materials In -situ Laboratório Berlim (EMIL).
Eles usaram luz intensa de raios X na faixa de energia de raios X (2 keV – 5 keV), fornecida pela linha de luz EMIL na fonte de raios X BESSY II. Nesta faixa de energia, a espectroscopia de absorção de raios X de estrutura próxima à borda (XANES) na borda P K é usada para monitorar processos de oxidação de H3 PO3 para H3 PO4 .
Diferentes reações de oxidação examinadas
"Descobrimos assim diferentes processos para esta reação de oxidação, incluindo oxidação química catalisada por platina, oxidação eletroquímica sob polarização de potencial positivo no eletrodo de platina e oxidação promovida por calor. Esses resultados espectroscópicos in situ também são confirmados por cromatografia de troca iônica e caracterizações eletroquímicas in situ", explica Enggar Wibowo, primeiro autor do estudo e Ph.D. candidato na equipe de Bär.
“Notavelmente, todas essas vias de oxidação envolvem reações com água, o que mostra que a umidade dentro da célula a combustível tem uma influência significativa nesses processos”.
Além disso, os resultados também apontam para possíveis melhorias nas condições de operação das células a combustível HT-PEM, por ex. controlando a umidificação para oxidar o H3 PO3 voltar para H3 PO4 .
"Ajustes correspondentes às condições de operação dos HT-PEMFCs poderiam ser implementados para evitar o envenenamento do catalisador por H3 PO3 e aumentar a eficiência dessas células de combustível", ressalta Wibowo.
"O trabalho esclarece um caminho chave de degradação das células de combustível e é uma contribuição no caminho para um H2 -baseado no fornecimento de energia", diz o Prof. Marcus Bär. "Isso também mostra o grande benefício dos raios X suaves, e estamos ansiosos pelo BESSY III, que visa fechar a lacuna dos raios X suaves ."
