Budućnost energije: gorivne ćelije

Razvoj vodoničnih tehnologija otvara nove mogućnosti za proizvodnju električne energije u transportu, industriji i stacionarnim energetskim sistemima. Gorivne ćelije direktno pretvaraju hemijsku energiju vodonika u električnu energiju, uz visoku efikasnost i bez emisije CO₂ na mestu korišćenja kada se kao gorivo koristi čist vodonik.

Dalji razvoj gorivnih ćelija u velikoj meri zavisi od unapređenja njihovih ključnih komponenti, posebno katalizatora, katalizatorskih mastila, membrana i elektroda. Njihove performanse određuju veličina i raspodela čestica, kristalna struktura, elementarni sastav, čistoća, površinska svojstva i stabilnost disperzija.

Kombinovanje XRD, SAXS, laserske difrakcije, dinamičkog rasejanja svetlosti, AFM, Raman spektroskopije i ICP-OES omogućava kompletnu karakterizaciju materijala tokom razvoja i optimizacije gorivnih ćelija.

Karakterizacija katalizatora gorivnih ćelija

Katalizatori na bazi platine imaju ključnu ulogu u brojnim sistemima gorivnih ćelija. Platinske nanočestice najčešće se nanose na ugljenični nosač, pri čemu veličina i disperzija Pt čestica, struktura ugljeničnog nosača i sastav katalizatora direktno utiču na njegovu aktivnost i iskorišćenje plemenitog metala.

Analitička karakterizacija omogućava optimizaciju ovih parametara, kao i praćenje promena katalizatora tokom proizvodnje i rada gorivne ćelije.

XRD analiza veličine kristalita i strukture katalizatora

Rendgenska difrakcija (XRD) omogućava karakterizaciju kristalne strukture katalitičkih materijala i određivanje veličine kristalita platine i drugih kristalnih komponenti.

Aeris XRD predstavlja kompaktno rešenje za rutinsku analizu katalizatora i može se koristiti za određivanje kristalnih faza i veličine kristalita. Kod veoma malih Pt nanočestica veličina kristalita može pružiti važnu informaciju o veličini katalitički aktivnih čestica.

Merenja pri kontrolisanoj temperaturi dodatno omogućavaju praćenje sinterovanja i rasta kristalita, što je značajno za istraživanje termičke stabilnosti katalizatora.

Empyrean XRD i SAXS za naprednu karakterizaciju

Za detaljniju karakterizaciju nanostrukture, Empyrean XRD platforma omogućava kombinovanje različitih rendgenskih tehnika na jednom sistemu.

Pored klasične rendgenske difrakcije, rasejanje rendgenskih zraka pod malim uglovima (SAXS) omogućava karakterizaciju nanočestica i nanostrukturnih karakteristika materijala.

Kombinovanje XRD i SAXS podataka pruža dodatne informacije o kristalnoj strukturi, veličini kristalita i dimenzijama nanočestica, što je posebno značajno pri razvoju novih katalizatora sa smanjenim sadržajem plemenitih metala.

Veličina agregata ugljeničnih nosača

Ugljenični nosači obezbeđuju veliku površinu za disperziju katalitički aktivnih nanočestica. Njihova veličina i stanje agregacije mogu uticati na strukturu katalizatorskog sloja, transport reaktanata i raspoloživost aktivnih mesta.

Mastersizer serija koristi lasersku difrakciju za određivanje raspodele veličine čestica i agregata u širokom opsegu veličina. Analiza se može izvoditi na odgovarajuće pripremljenim praškastim uzorcima ili disperzijama.

Tehnika je korisna za kontrolu ugljeničnih nosača, katalizatorskih prahova i drugih čestičnih materijala tokom razvoja i proizvodnje gorivnih ćelija.

Nanočestice i stabilnost katalizatorskog mastila

Katalizatorsko mastilo predstavlja kompleksnu disperziju katalizatora, ugljeničnog nosača, jonomera i rastvarača. Njegova stabilnost direktno utiče na homogenost nanošenja i strukturu konačnog katalizatorskog sloja.

Zetasizer serija koristi dinamičko rasejanje svetlosti (DLS) za određivanje veličine čestica i aglomerata u nanometarskom području.

Pored veličine čestica, određivanje zeta potencijala pruža informacije o stabilnosti disperzije i sklonosti čestica ka aglomeraciji. Ova merenja omogućavaju poređenje različitih formulacija katalizatorskog mastila i optimizaciju uslova njegove pripreme.

Kombinovanje Mastersizer i Zetasizer sistema omogućava karakterizaciju čestica i agregata kroz širok raspon veličina.

AFM analiza površine katalizatora, membrana i elektroda

Kod gorivnih ćelija veliki deo ključnih procesa odvija se upravo na površinama i granicama između različitih materijala.

HORIBA AFM sistemi omogućavaju karakterizaciju topografije, hrapavosti i lokalnih svojstava površine na mikro i nanometarskom nivou.

AFM se može koristiti za istraživanje katalitičkih slojeva, elektroda, membrana i drugih funkcionalnih površina, kao i za poređenje promena koje nastaju nakon različitih postupaka pripreme ili tokom degradacije materijala.

Ovakva karakterizacija dopunjuje XRD i analizu veličine čestica informacijama o stvarnoj površinskoj strukturi materijala.

Raman spektroskopija za katalizatore i ugljenične materijale

HORIBA Raman mikroskopi omogućavaju molekularnu i strukturnu karakterizaciju katalizatora, ugljeničnih nosača, membrana i drugih materijala koji se koriste u gorivnim ćelijama.

Raman spektroskopija je posebno značajna za karakterizaciju ugljeničnih materijala, gde omogućava ispitivanje stepena strukturne uređenosti i defekata. Promene ugljeničnog nosača mogu biti povezane sa stabilnošću i degradacijom katalizatorskog sistema.

Raman mapiranje omogućava prostornu analizu uzorka i može pružiti informacije o homogenosti i raspodeli različitih komponenti kroz analiziranu površinu.

U kombinaciji sa AFM analizom moguće je povezati strukturne i hemijske informacije sa topografijom površine.

ICP-OES analiza katalizatora i koncentrovanih uzoraka

Precizno određivanje elementarnog sastava važno je za kontrolu količine katalitički aktivnih metala, nečistoća i drugih komponenti materijala.

HORIBA ICP-OES sistemi omogućavaju multielementnu analizu u širokom koncentracionom opsegu, uključujući rad sa uzorcima sa visokim sadržajem rastvorenih materija i zahtevnim matricama, što je značajno kod određenih katalizatorskih i procesnih uzoraka.

ICP-OES se može koristiti za određivanje Pt, Ir, Ru, Ni, Co i drugih elemenata relevantnih za katalizatore i materijale gorivnih ćelija, kao i za kontrolu elementarnih nečistoća.

Ova tehnika dopunjuje strukturnu i čestičnu karakterizaciju preciznim kvantitativnim informacijama o hemijskom sastavu materijala.

Kompletna karakterizacija materijala za gorivne ćelije

Razvoj efikasnijih i dugotrajnijih gorivnih ćelija zahteva razumevanje materijala na više nivoa.

Aeris i Empyrean XRD omogućavaju karakterizaciju kristalne strukture, faznog sastava i veličine kristalita, dok SAXS pruža dodatne informacije o nanostrukturi. Mastersizer i Zetasizer omogućavaju karakterizaciju veličine čestica, agregata i stabilnosti katalizatorskih disperzija.

HORIBA AFM pruža informacije o površinskoj strukturi katalizatora, membrana i elektroda, dok HORIBA Raman sistemi omogućavaju molekularnu i strukturnu karakterizaciju, posebno ugljeničnih materijala. HORIBA ICP-OES dopunjuje ove tehnike preciznom analizom elementarnog sastava.

Kombinovanjem ovih analitičkih metoda moguće je povezati hemijski sastav, kristalnu i molekularnu strukturu, veličinu čestica, stabilnost disperzija i površinska svojstva sa performansama katalizatora i drugih funkcionalnih materijala gorivnih ćelija.