Ученые исследуют поверхностную экстракцию платиновых катализаторов в щелочной среде

Межфазная модификация с использованием гидрофильных/гидрофобных катионов для контроля как электрохимической активности, так и стабильности платинового электрода. Автор: Масаси Накамура из Университета Тиба.

Чтобы решить эту проблему, ученые исследовали механизмы поверхностного окисления поверхности Pt в щелочной среде — ранее неизведанное направление исследований. Их эксперименты выявили важные открытия, которые могут помочь в разработке катализаторов следующего поколения, прокладывая путь к углеродно-нейтральному обществу. Результаты опубликованы в Журнале Американского химического общества.

Стремление к углеродной нейтральности стимулирует исследование экологически чистых источников энергии, при этом водородные топливные элементы становятся многообещающим направлением. В этих ячейках водород подвергается электрохимической реакции с кислородом с образованием электричества и воды. Кроме того, обратный этому процессу, называемый электролизом, можно использовать для разделения имеющейся в изобилии воды с получением водорода и кислорода.

Эти две технологии могут работать в тандеме, обеспечивая чистый и возобновляемый источник энергии. Ключевым элементом в этих двух технологиях является платиновый (Pt) электрод.

Водородные топливные элементы состоят из двух электродов: анода и катода, между которыми находится электролит. Платина служит основным катализатором в низкотемпературных топливных элементах, таких как щелочные топливные элементы и топливные элементы с полимерным электролитом (PEFC). Платина обладает высокой активностью в реакции восстановления кислорода (ORR), которая имеет решающее значение для топливных элементов, в щелочных и кислых условиях при рабочем напряжении катодов PEFC.

Однако это также приводит к образованию оксидов на поверхности, которые делают слой платины шероховатым и растворяют его, что в конечном итоге ухудшает качество катодов и влияет на производительность и стабильность. Таким образом, понимание механизмов образования поверхностных оксидов имеет решающее значение для разработки платиновых катодных катализаторов, которые хорошо работают в щелочных условиях.

Исследования показали, что образование оксидов на поверхности Pt зависит от потенциала электрода, электролита и двойного электрического слоя (ДЭС). Хотя исследования изучали образование и восстановление оксидов на поверхности Pt в кислых средах, лишь немногие из них касались того же самого в щелочных средах, присутствующих в топливных элементах и электролизерах с анионообменными мембранами.

Чтобы устранить этот пробел, группа исследователей под руководством профессора Масаси Накамура из Высшей инженерной школы Университета Тиба, Япония, углубилась в механизмы образования оксидов на поверхности платины в щелочной среде.

«В предыдущем исследовании мы сообщили, что межфазные гидрофобные ионы с длинными алкильными цепями могут усиливать ORR. Это говорит о том, что можно создать межфазное реакционное поле, которое не только активирует ORR, но и улучшает долговечность платиновых электродов за счет использования оптимального межфазного взаимодействия. ионы», — объясняет профессор Накамура.

В исследовании также приняли участие доктор Томоаки Кумеда и профессор Нагахиро Хоши из Высшей инженерной школы Университета Тиба, а также доктор Осами Саката из Центра исследований синхротронного излучения Японского научно-исследовательского института синхротронного излучения.

Команда исследовала образование оксида на поверхности Pt (111) в щелочных водных растворах, содержащих различные катионы, а именно катион лития (Li ⁺), катион калия (K ⁺) и катион тетраметиламмония (ТМА ⁺), используя передовые методы, такие как рентгеновское исследование. рассеяние кристаллического усеченного стержня (CTR), рамановская спектроскопия с усилением поверхности на основе золотых наночастиц (GNP-SERS) и спектроскопия поглощения инфракрасного отражения (IRAS).

«Исследования показали, что сочетание колебательной спектроскопии и рентгеновской дифракции эффективно для выяснения процессов поверхностного окисления», — добавляет профессор Накамура.

Рентгеновская CTR показала, что образование оксидов приводит к короблению поверхности и экстракции Pt. Измерения SERS и IRAS выявили потенциальное и катион-зависимое образование трех видов оксидов, а именно инфракрасного (ИК)-активного адсорбированного гидроксида OH (OH _ad), рамановской активной адсорбированной воды (H ₂ O) _ad и рамановского активного кислорода (O _ad).

Команда обнаружила, что гидрофильные катионы, такие как Li ^+, стабилизируют IR-активный OH _ad, тем самым предотвращая образование вредных оксидов, в то время как умеренная гидрофильность K ⁺ не оказывает защитного эффекта. Интересно, что объемистые гидрофобные катионы, такие как ТМА ^+, также уменьшают необратимое окисление, подобно Li ⁺. Примечательно, что команда также обнаружила, что электростатическое отталкивание между рамановско-активным (H ₂ O) _ad и соседним рамановско-активным O- _аd облегчает извлечение Pt.

Эти результаты позволяют предположить, что межфазные катионы играют важную роль в образовании оксидов на поверхности Pt, которым можно управлять, подбирая подходящие катионы. Развивая эти результаты, профессор Накамура отмечает: «Эти открытия имеют решающее значение для понимания механизмов поверхностного окисления и структуры EDL, что может быть полезно для создания высокопроизводительных и стабильных платиновых электрокатализаторов для использования в электрохимических устройствах следующего поколения».

В целом, это исследование делает нас еще на шаг вперед в достижении будущего с нулевым выбросом углерода, основанного на обильном и чистом водороде.

Источник: Chiba University