שינוי פנים באמצעות קטיונים הידרופיליים/הידרופוביים כדי לשלוט הן בפעילות האלקטרוכימית והן ביציבות של אלקטרודת פלטינה. קרדיט: Masashi Nakamura מאוניברסיטת צ'יבה, ערוך
חוקרים מבהירים מנגנונים לבקרת תהליכי חמצון פני השטח המשפיעים על הביצועים של זרזי פלטינה במדיה אלקליין.
אלקטרודות פלטינום (Pt) הן חיוניות עבור טכנולוגיות חשמל נקיות כמו תאי דלק מימן ואלקטרוליזה. עם זאת, חמצון פני השטח המתרחש במהלך תהליכים כאלה פוגע בביצועים וביציבות הזרז. כדי להתמודד עם זה, החוקרים חקרו את המנגנונים של חמצון פני השטח על פני השטח Pt במדיה אלקליין, שדרת מחקר שלא נחקרה בעבר. הניסויים שלהם חשפו תובנות מכריעות שיכולות לסייע בפיתוח של זרזים מהדור הבא, ולסלול את הדרך לחברה ניטרלית פחמן.
תאי דלק מימן ואלקטרוליזה
השאיפה לניטרליות פחמן מניעה את החקר של מקורות אנרגיה נקיים, כאשר תאי דלק מימן מופיעים כשדרה מבטיחה. בתאים אלו מימן עובר תגובה אלקטרוכימית עם חמצן לייצור חשמל ומים. כמו כן, ניתן להשתמש בהיפוך של תהליך זה, הנקרא אלקטרוליזה, כדי לפצל את המים הזמינים בשפע כדי לייצר מימן וחמצן. שתי הטכנולוגיות הללו יכולות לעבוד במקביל כדי לספק מקור אנרגיה נקי ומתחדש. מרכיב מרכזי בשתי הטכנולוגיות הללו הוא אלקטרודת הפלטינה (Pt).
אתגרים בטכנולוגיית תאי דלק
תאי דלק מימן מורכבים משתי אלקטרודות: אנודה וקתודה, עם אלקטרוליט ביניהן. Pt משמש כזרז בסיסי בתאי דלק בטמפרטורה נמוכה, כגון תאי דלק אלקליין ותאי דלק אלקטרוליטים פולימריים (PEFC). ל-Pt פעילות גבוהה לתגובת הפחתת החמצן (ORR), שהיא חיונית עבור תאי דלק, בתנאים אלקליים וחומציים במתח ההפעלה של קתודות PEFC. עם זאת, זה גם מוביל להיווצרות תחמוצת על פני השטח, אשר מחספס וממיס את שכבת Pt, בסופו של דבר משפיל את הקתודות ומשפיע על הביצועים והיציבות.
הבנת מנגנוני יצירת תחמוצת פני השטח חיונית לפיכך לפיתוח זרזי Pt קתודית הפועלים היטב בתנאים אלקליים. מחקרים הראו כי היווצרות התחמוצת על פני ה-Pt תלויה בפוטנציאל האלקטרודה, האלקטרוליט והשכבה הכפולה החשמלית (EDL). בעוד שמחקרים חקרו את היווצרות התחמוצת וההפחתה על פני השטח של Pt במדיה חומצית, מעטים מהם התייחסו לכך במדיה אלקליין, הקיימים בתאי דלק ובאלקטרוליזרים עם ממברנות חילופי אניונים.
התקדמות בחקר מדיה אלקליין
כדי להתמודד עם הפער הזה, צוות חוקרים בראשות פרופסור Masashi Nakamura מבית הספר לתואר שני להנדסה, אוניברסיטת צ'יבה, יפן, חפר עמוק לתוך מנגנוני יצירת תחמוצת על משטחי Pt במדיה אלקליין.
"במחקר קודם, דיווחנו שיונים הידרופוביים בעלי שרשראות אלקיל ארוכות יכולים לשפר את ה-ORR. זה מצביע על כך שניתן לבנות שדה תגובה אינטר-פייסי שלא רק מפעיל את ה-ORR אלא גם משפר את העמידות של אלקטרודות Pt על ידי שימוש ביוני אינטר-פייסי אופטימליים", מסביר פרופ' נקמורה.
המחקר כלל גם תרומות של ד"ר Tomoaki Kumeda ופרופסור Nagahiro Hoshi, שניהם מבית הספר לתואר שני להנדסה באוניברסיטת צ'יבה, יחד עם ד"ר Osami Sakata מהמרכז לחקר קרינת סינכרוטרונים במכון לחקר קרינת סינכרוטרון ביפן. הממצאים שלהם פורסמו ב כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה.
טכניקות וממצאים חדשניים
הצוות חקר את היווצרות התחמוצת על פני השטח Pt (111) בתמיסות מימיות אלקליות המכילות קטיונים שונים, כלומר קטיון ליתיום (Li)+), אשלגן (K+) קטיון וקטיון טטרה-מתיל-אמוניום (TMA+), תוך שימוש בשיטות מתקדמות כמו פיזור מוט חיתוך גביש רנטגן (CTR), פיזור של ננו-חלקיקי זהב על בסיס ספקטרוסקופיה ראמאן (GNP-SERS) משופרת על פני השטח וספקטרוסקופיה של קליטת השתקפות אינפרא אדום (IRAS).
"מחקרים הראו ששילוב של ספקטרוסקופיה רטט ודיפרקציה של קרני רנטגן יעיל להבהרת תהליכי חמצון פני השטח", מוסיף פרופ' נקמורה.
CTR בקרני רנטגן גילה כי היווצרות תחמוצת גורמת לקליטת פני השטח ולחילוץ Pt. מדידות SERS ו-IRAS חשפו את היווצרות הפוטנציאלית והתלויה בקטיון של שלוש תחמוצות מִיןכלומר הידרוקסיד נספג פעיל באינפרא אדום (IR) OH (OHמוֹדָעָה), מים ספוגים פעילים של רמאן (H2O)מוֹדָעָהוחמצן פעיל רמאן (Oמוֹדָעָה). הצוות מצא כי קטיונים הידרופיליים כמו Li+ מייצבים OH פעיל ב-IRמוֹדָעָהובכך מונע היווצרות תחמוצת מזיקה, בעוד שלידרופיליות מתונה של K+ אין השפעה מגנה.
מעניין, קטיונים הידרופוביים מגושמים כגון TMA+ גם להפחית חמצון בלתי הפיך, בדומה ל-Li+. ראוי לציין, הצוות גם מצא שהדחייה האלקטרוסטטית בין Raman-active (H2O)מוֹדָעָה והשכנה Raman-active Oמוֹדָעָה מקל על מיצוי Pt.
מסקנה והשלכות על אנרגיה נקייה
תוצאות אלו מצביעות על כך שקטיונים משטחיים ממלאים תפקיד חיוני ביצירת תחמוצת על משטחי Pt, אשר ניתן לשלוט בהם על ידי בחירת קטיונים מתאימים.
בהרחבה על תוצאות אלו, מעיר פרופ' נקמורה: "תובנות אלו חיוניות להבנת מנגנוני חמצון פני השטח ומבנה ה-EDL, שיכולים להועיל להשגת אלקטרו-קטליזטורים Pt בעלי ביצועים גבוהים ויציבים לשימוש בהתקנים אלקטרוכימיים מהדור הבא".
בסך הכל, המחקר הזה לוקח אותנו צעד קדימה בהשגת עתיד אפס פחמן המונע על ידי מימן שופע ונקי.
