Itseään uudistava katalyytti vetyenergian kestävyyshaasteen

POSTECHin johtama tutkimusryhmä kehittää IrFe/C-elektrokatalyyttiä joka korjaa itse itsensä hapettumisen jälkeen, mikä parantaa merkittävästi vesielektrolyysilaitteiden ja polttokennojen kestävyyttä]

Tutkimusryhmä on kehittänyt innovatiivisen sähkökatalyytin, joka regeneroi oman metallisen pintansa hapettumisen jälkeen, aivan kuten haava paranee luonnollisesti. Tämä läpimurto ratkaisee yhden vetyenergiateknologian kriittisimmistä haasteista: katalyyttien peruuttamattoman hajoamisen käytön aikana.

Pohangin tiede- ja teknologiayliopiston professori Yong-Tae Kim on yhdessä muiden kansallisten yliopistojen ja kiihdytinlaboratorion kollegoiden kanssa kehitetty iridium-rautaseoskatalyytti estää elektrokatalyyttien peruuttamattoman hajoamisen dynaamisen segregoituneen pinnan rekonstruoinnin avulla.

Vesielektrolyysereissä ja vetypolttokennoissa käytettävät elektrokatalyytit ovat alttiita peruuttamattomalle oksidatiiviselle passivaatiolle, jossa katalyytin pinta peittyy eristävällä oksidikerroksella, joka estää pysyvästi aktiiviset kohdat. Tämä on erityisen ongelmallista ohimenevien käyttöolosuhteiden, kuten käynnistys-/sammutustapahtumien ja polttoaineen puutteen, aikana, mikä johtaa katastrofaaliseen suorituskyvyn heikkenemiseen ja on ollut merkittävä este vetyenergian kaupallistamiselle.

Tiimi tarttui tähän haasteeseen suunnittelemalla IrFe/C-elektrokatalyytin, jolla on ainutlaatuinen spatiaalisesti segregoitunut arkkitehtuuri, jossa katalyytin nanopartikkelin pinnalla ja pääosalla on erilliset roolit.

Hapettumisolosuhteissa vain pintakerros käy läpi palautuvia hapetusasteen muutoksia, kun taas kestävä metalliseosydin pysyy rakenteellisesti ehjänä. Pinta rekonstruoituu itsenäisesti vaihtelevien sähkökemiallisten ympäristöjen mukaan, mikä mahdollistaa sen dynaamisen katalyyttisesti aktiivisen metallisen tilansa regeneroinnin hapettumisen jälkeen.

Kun IrFe/C-katalyyttiä sovellettiin käytännön polymeerielektrolyyttien kalvovesielektrolyysereissä (PEMWE) ja polttokennoissa (PEMFC), se osoitti huomattavaa kestävyyttä. Vaikka perinteisten Pt/C-katalyyttien suorituskyky heikkeni merkittävästi 62 % sammutusprotokollan testien jälkeen, IrFe/C-pohjaisen MEA:n suorituskyky heikkeni vain lievästi, 16 %.

Professori Yong-Tae Kim huomautti: ”Tämä tutkimus esittelee uuden paradigman pinnan passivoinnin voittamiseksi luomalla kestävän strategian, joka edistää helppoa talteenottoa ja ratkaisee perustavanlaatuisesti elektrokatalyytin kestävyyden kriittisen pullonkaulan.” Hän lisäsi: ”IrFe/C-katalyyttiämme voidaan soveltaa sekä vesielektrolyysereissä että polttokennoissa, mikä tarjoaa monipuolisen ratkaisun vetyenergiateollisuudelle.”

Aiheesta aiemmin:

Polttokennojen esteiden murtaminen