Los protones (partículas subatómicas) se pueden transferir del ánodo al cátodo a través de la membrana de ionómero en las celdas de combustible de electrolitos poliméricos (PEFC). Los científicos pueden extender las rutas de los protones impregnando el ionómero (tipo de polímero) en los electrodos para lograr una mayor eficiencia de transferencia de protones. Dado que el ionómero impregnado puede unir mecánicamente catalizadores dentro del electrodo, se conocen como aglutinantes. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Chi-Yeong Ahn y un equipo de investigación introdujeron un enfoque simple para usar un fluido supercrítico y preparar una dispersión a nanoescala homogénea de material aglutinante en alcohol acuoso. La preparación mostró un carácter de alta dispersión, cristalinidad y conductividad de protones para aplicaciones duraderas y de alto rendimiento en un electrodo de cátodo PEFC.

Las celdas de combustible de electrolito de polímero (PEFC) son dispositivos electroquímicos que pueden convertir de manera eficiente la energía química del combustible directamente en energía eléctrica. Los PEFC están influenciados en gran medida por componentes clave que incluyen membranas de electrolitos poliméricos, catalizadores e ionómeros de ácido sulfónico perfluorado (PFSA). Las reacciones redox que ocurren en un PEFC ocurren principalmente en la interfaz del electrodo conocida como límite de triple fase (TPB) en la que los gases reactivos (H ₂ en el ánodo y O ₂ en el cátodo) pueden entrar en contacto con partículas de catalizador de platino (Pt), en materiales de carbono conductores de electrones (de ahí la triple fase). En el presente estudio, Ahn y col. describió una dispersión de ionómero con un tamaño de partícula coloidal medio mucho más pequeño que las dispersiones disponibles comercialmente mediante el tratamiento de una membrana Nafion 117 con alcohol alifático en condiciones supercríticas. La membrana de Nafion, una marca para una membrana de ácido sulfónico perfluorado (PFSA) introducida por E. I. du Pont de Nemours and Company en la década de 1960, Puede separar el compartimento del ánodo y del cátodo en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones y en los electrolizadores de agua.

Los fluidos supercríticos (SCF) se utilizan ampliamente en la industria y la investigación para sintetizar medicamentos especiales, polímeros y nanomateriales, con aplicaciones adicionales para preparar materiales para estudios electroquímicos. Sin embargo, Los investigadores aún deben explorar la eficacia de los ionómeros superacídicos del ácido sulfónico perfluorado (PFSA) como aglutinantes de electrodos. Para lograr esto, Ahn y col. obtuvo por primera vez una dispersión de ionómero fabricada en laboratorio mediante el tratamiento de una membrana de Nafion disponible comercialmente en un medio acuoso de alcohol isopropílico (IPA) en estado de fluido supercrítico (SCF). Luego, usando análisis dinámico de dispersión de luz, los investigadores observaron distribuciones de partículas de ionómero con tamaños inferiores a 100 nm y llamaron a la dispersión fabricada en laboratorio una 'nanodispersión' (ND). El ND experimentó una transición de fase de una dispersión acuosa a un sólido, para su uso como aglutinante de cátodos. Usando análisis de difracción de rayos X (XRD) obtuvieron las cristalinidades de ND y las mostraron como cadenas semicristalinas empaquetadas uniformemente con regularidad mejorada. en comparación con Nafion D521 utilizado en otros sistemas PEFC. La conductividad de protones mejorada del ND implicaba una menor resistencia; prediciendo un alto nivel de rendimiento del conjunto membrana-electrodo (MEA) para el funcionamiento de una sola celda.

Ahn y col. caracterizado (probado) la dispersión de ionómero hecha con SCF, utilizando microscopía electrónica de barrido para observar la topografía y porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) para medir las porosidades. Observaron una superficie relativamente uniforme del ND en la superficie del MEA (conjunto membrana-electrodo); el ionómero ND se dispersó bien sobre el catalizador de Pt / C en la suspensión de tinta para preparar el MEA para empezar. Según las morfologías y la distribución del tamaño de los poros del catalizador, el ND tenía una mejor dispersabilidad de ionómero para uso de combustible dentro del conjunto membrana-electrodo.

El contenido de aglutinante para la formulación del electrodo fue importante como uno de los componentes que determinaron el límite de la triple fase (TPB). Los científicos ajustaron la proporción de ionómeros en los electrodos cada vez que se cambiaba uno de los componentes del electrodo. Para comprender el rendimiento de los ionómeros, detectaron el rendimiento electroquímico de los MEA utilizando cátodos con un peso del 30 por ciento de D521 (MEA-0) frente a 10, 20, y 30 por ciento en peso ND (MEA-10, MEA-20 y MEA-30). Los rendimientos de MEA aumentaron con el contenido de ionómero. Determinaron una cantidad apropiada de ionómero para la fabricación de MEA y se decidieron por MEA-20, que exhibió el rendimiento más alto en una atmósfera de oxígeno. Cuando midieron el rendimiento electroquímico de los MEA en el aire, el rendimiento de la pila de combustible disminuyó debido a la presencia de nitrógeno inerte y concentraciones reducidas de oxígeno.

Para comprender el rendimiento de una sola celda y la durabilidad electroquímica, el equipo seleccionó dos muestras (MEA-0 y MEA-20) y realizó la prueba de esfuerzo acelerada (AST). Realizaron AST utilizando un método de ciclo de carga, lo que provocó una grave degradación del electrodo catódico. El grado de degradación electroquímica dependía del tipo de ionómero utilizado en el cátodo. Por ejemplo, MEA-20 (ionómero ND) mantuvo su rendimiento electroquímico en 3.33 por ciento en presencia de oxígeno y su durabilidad electroquímica aumentó aproximadamente seis veces más que la de MEA-0. en relación con la densidad de corriente.

Incluso después de las pruebas de estrés aceleradas (AST), la densidad de corriente de MEA-20 fue mayor que la densidad de corriente inicial de MEA-0. Por tanto, la degradación del catalizador fue grave en MEA-0 pero apenas perceptible en MEA-20. Ahn y col. acreditó el alto peso molecular y la cristalinidad mejorada del ionómero constituyente para justificar la tolerancia electroquímica mejorada del electrodo ND, lo que ayudó a prevenir la degradación del catalizador. Realizaron microscopía electrónica de transmisión (TEM) para confirmar los cambios físicos en el electrodo después de AST y observaron una menor degradación del catalizador en el electrodo ND. La durabilidad electroquímica extremadamente mejorada se debió a la resistencia mecánica mejorada basada en el alto peso molecular y el carácter cristalino mejorado del ND, que era más difícil de lavar durante la función PEFC.

De este modo, Chi-Yeong Ahn y sus colegas demostraron la preparación y caracterización del ionómero ND que contiene un tamaño de partícula promedio menor que el ionómero D521 (que tenía una arquitectura química idéntica y un peso equivalente). Confirmaron la eficacia electroquímica de ND como material aglutinante de cátodos y observaron morfologías únicas para el ionómero ND obtenido del proceso SCF (fluido supercrítico). Estas morfologías correspondían a una conductividad de protones mejorada y un rendimiento de una sola célula, como resultado de una vía de transporte de protones eficaz. El mayor contenido cristalino y el peso molecular de ND mejoraron la resistencia mecánica y mejoraron la vida útil del MEA en un factor de seis a una densidad de corriente de 0,6 V. Los resultados mostraron un mejor rendimiento y durabilidad de los electrodos PEFC. El equipo de investigación espera que el electrodo mejore aún más el rendimiento y la durabilidad al aplicar el ionómero recién formado con un catalizador de alto rendimiento dentro de una celda de combustible de electrolito polimérico.

© 2020 Science X Network