Suportes à base de carbono para eletrocatálise sob condições industrialmente relevantes
Ilustração esquemática de diferentes tipos de suportes de carbono usados em eletrocatálise, incluindo grafeno, nanotubo de carbono (CNT), C60 , aerogel de carbono, fibra/tecido de carbono, carbono mesoporoso e negro de fumo (CB) (colorido online). Crédito:Science China Press Os materiais de carbono, devido às suas características físico-químicas apropriadas, como alta área superficial, estrutura de poros ajustável, morfologia variável e propriedades de superfície multifuncionais baseadas em modificações químicas, baixo custo e facilidade de preparação a partir de vários precursores, são materiais de suporte ideais para componentes metálicos funcionais. .
Particularmente em sistemas eletroquímicos (como células a combustível de membrana de troca de prótons, PEMFC, e eletrólise de água por membrana de troca de prótons, PEMWE), os materiais de carbono desempenham um papel vital porque podem servir como transportadores condutores para componentes metálicos ativos.
No entanto, na literatura em rápido crescimento no campo da eletrocatálise, a maioria dos estudos normalmente se concentra em componentes funcionais de metal ou óxido metálico suportados por carbono comercial. O papel dos materiais de carbono como suportes e o seu impacto no desempenho catalítico não tem recebido atenção suficiente, justificando mais esforços de investigação tanto da academia como da indústria.
Esta revisão, publicada na revista Science China Chemistry , foi liderado pelo Prof. Wei Lin (Instituto de Pesquisa de Processamento de Petróleo SINOPEC) e pelo Prof. Lichen Liu (Departamento de Química, Universidade de Tsinghua).
O professor Wei Lin e o professor Lichen Liu tentaram abordar o tema de uma perspectiva industrial, discutindo parâmetros-chave que podem ser medidos diretamente ou estudados em experimentos para revelar a relação síntese-estrutura-desempenho.
O artigo apresenta e explica sistematicamente a aplicação de materiais transportadores de carbono no campo eletroquímico sob condições industrialmente relevantes e os desafios existentes e futuras direções inovadoras a partir de seis aspectos:condutividade eletroquímica, composição química, estabilidade sob condições industriais, transferência de massa, síntese em massa, e compreensão profunda.
Finalmente, com base no conhecimento e experiência acumulados em atividades de P&D industrial, os autores propõem os seguintes padrões críticos que os suportes de carbono em dispositivos eletrocatalíticos práticos precisam atender:(1) área superficial específica> 60 m²/g; (2) resistividade elétrica <2,5 Ω·m; (3) tamanho de partícula de carbono primário <50 nm; (4) reciclabilidade acima de 5.000 ciclos (de 1,0 a 1,5 V); (5) custo abaixo de US$ 4.000/tonelada.
Especificamente, os autores também sugerem um tamanho de partícula de carbono primário <50 nm, pois partículas menores podem melhorar a condutividade e a viscosidade, aumentar a resistência às intempéries, fornecer melhor reforço e aumentar a resistência à tração e à abrasão. Além disso, o menor tamanho de partícula está correlacionado com uma maior área superficial específica, facilitando o carregamento denso de platina e a construção de finas camadas de catalisador.
Estes indicadores-chave podem servir como parâmetros orientadores para o desenvolvimento de transportadores avançados de carbono para dispositivos PEMFC e PEMWE. O primeiro autor do artigo é o Dr. Xue Yang, do Sinopec Research Institute of Petroleum Processing.
