Przełomowa metoda badań pozwoli konstruować

25 maja 2015
Przełomowa metoda badań pozwoli konstruować bardziej
wydajne i trwałe ogniwa paliwowe
Naukowcy Toyoty zaprezentowali przełomowe odkrycie w badaniach
nad ogniwami paliwowymi. Dzięki obserwacjom w warunkach
rzeczywistych będą monitorować zmniejszanie się reaktywności
katalizatora. Otwierają one nowe możliwości w budowie bardziej
wydajnych i trwałych ogniw paliwowych następnej generacji. Jest to
istotny przełom w drodze popularyzowania nowej technologii
napędowej w motoryzacji, której Toyota jest obecnie jedynym
seryjnym producentem na świecie. Model Mirai, czyli pierwszy
seryjny pojazd na wodorowe ogniwa paliwowe, został wprowadzony
przez firmę na rynek w grudniu 2014 roku.
Toyota i Japan Fine Ceramics Center (JFCC) opracowały wspólnie nową
technologię, która pozwala obserwować w skali nano zachowanie
cząsteczek platyny podczas reakcji chemicznych zachodzących w
ogniwach paliwowych. Platyna to kluczowy katalizator reakcji utleniania
wodoru, która zachodzi w ogniwach paliwowych, wytwarzając energię
elektryczną. Stopniowe obniżanie jej reaktywności jest efektem zbijania
się cząsteczek w grupy. Powstają nanodrobinki, które zwiększając swoją
wielkość, zmniejszają łączną powierzchnię znajdującej się w ogniwie
platyny. Do tej pory nie można było obserwować tego procesu i tym
samym zrozumieć jego przyczyn.
Nowa metoda obserwacji pomoże ustalić, w których miejscach
węglowego nośnika koncentruje się platyna, a także mierzyć zmiany
napięcia w miarę zachodzenia tego procesu. Umożliwi także określenie
charakterystyk różnych rodzajów nośnika. Taka wieloaspektowa analiza
pozwoli wyznaczyć kierunki badań nad zwiększaniem wydajności i
trwałości platynowych katalizatorów i ogniw paliwowych.
Strona 1 z 3
Cel badań
Ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny w wyniku reakcji
chemicznej wodoru dostarczanego ze zbiornika z zawartym w
powietrzu tlenem. Tlen z katody łączy się z wodorem z anody tworząc
wodę, będącą produktem ubocznym reakcji.
Podczas reakcji chemicznej cząsteczki wodoru rozdzielane są na
elektrony i jony wodoru na anodzie wodorowej z udziałem katalizatora
platynowego. Elektrony przemieszczają się do katody tlenowej,
powodując przepływ prądu. Jednocześnie jony wodoru pokonują
membranę polimerową, by trafić do katody tlenowej, gdzie w kontakcie
z tlenem z powietrza i elektronami tworzą wodę. Katalizatorem tej
reakcji jest również platyna.
Platyna ma newralgiczne znaczenie w wytwarzaniu prądu przez ogniwa
paliwowe ze względu na kluczowy wpływ na zwiększenie ich
wydajności.
Platyna jest jednak metalem rzadkim i drogim. Co gorsza, procesowi
wytwarzania prądu towarzyszy stopniowe grubienie nanodrobinek
platyny, co zmniejsza wydajność ogniwa. Aby zapobiec temu zjawisku,
powodującemu spadek reaktywności katalizatora, należy poznać jego
mechanizm i przyczyny. Niestety, niewielkie rozmiary platynowych
nanodrobinek ogromnie utrudniają obserwację konwencjonalnymi
metodami.
Nowa metoda obserwacji
Konwencjonalna metoda obserwacji nanodrobinek platyny polega na
porównywaniu tych samych drobinek platyny przed i po reakcji. Za
pomocą tej metody odkryto, że po reakcji drobinki są większe i mają
mniejszą reaktywność. Jednak przyczyny tego zjawiska pozostają w
sferze hipotez ze względu na dotychczasową niemożność obserwacji
procesu narastania drobinek.
Tymczasem nowa metoda obserwacji wykorzystuje nową, zmniejszoną
próbkę, która symuluje rzeczywiste środowisko i warunki występujące
w ogniwach paliwowych. To, w połączeniu z nową metodą podawania
Strona 2 z 3
napięcia do próbek umieszczonych wewnątrz transmisyjnego
mikroskopu elektronowego, umożliwia obserwowanie procesu
narastania drobinek w czasie rzeczywistym na wszystkich etapach
wytwarzania prądu. Transmisyjny mikroskop elektronowy umożliwia
oglądanie i analizowanie szczegółów o wielkości atomów (0,1 nm).
Poniższe obrazy ukazują narastanie platynowych nanodrobinek:
Na zdjęciach widać zbijanie się cząsteczek platyny w grupy na
powierzchni węglowego nośnika. Cząsteczki platyny przesuwają się ku
sobie i łączą w większe nanodrobinki.
Strona 3 z 3