Z1-9165 - Od modelskih do uporabnih elektrokatalizatorjev
Vodja projekta:
Dr. Primož Jovanovič
- VSEBINSKI OPIS PROJEKTA:
Gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano (PEMFC) in elektrolizerji so med najbolj obetavnimi kandidati, ki bi lahko spremenili prihodnje alternativne energetske rešitve, saj zagotavljajo neodvisnost od fosilnih goriv brez povzročanja okoljske škode. Na poti k njihovi širši uporabi je potrebno obravnavati več omejitev, pri čemer je najpomembnejša energetska in stroškovna učinkovitost. Dosedanje raziskave so bile v glavnem usmerjene v razumevanje lastnosti elektrokatalizatorjev kot glavnih ozkih grl razvoja omenjene tehnologije. Raziskave so večinoma ločeno razdeljene na tiste, ki se izvajajo neposredno v gorivni celici/elektrolizerju (ali v njuni osnovni enoti, membransko elektrodnem sklopu-MEA) in na tiste, ki se izvajajo ex-situ. Praviloma med obema primeroma študij ni sistematske povezave, kar opočasnjuje napredek tehnologije gorivnih celic/elektrolizerjev. Za premostitev »prepada« med raziskavami na laboratorijskem in realističnim (industrijskim) nivojem je potrebna vpeljava popolnoma novega analiznega orodja. Pričujoči projekt za predlaga razvoj metode plavajoče elektrode, ki bo i) zadržala preprostost in fleksibilnost laboratorijskih analiznih metod (TF-RDE pristop), hkrati ii) posnemala pogoje delovanja v realnem okolju aplikacije in iii) služila kot platforma za sklopitev z mnogimi drugimi analiznimi tehnikami (ICP-MS, mikroskopija, spektroskopija itd.), kar bo omogočalo pridobivanje novih vpogledov. Nova metodologija temeljujoča na plavajoči elektrodi bo omogočala spopadanje s pojavi, ki do sedaj še niso bili obravnavani kot so:
a. ocena katalitske aktivnosti elektrokatalizatorjev pri realnih pogojih delovanja (visoke tokovne gostote, nizki potenciali)
b. vpogled v kinetiko reakcije, ki poteka na katalizatorju kot funkcijo tokovne gostote (tovrstne fundamentalne študije se do sedaj še niso izvajale) v vodnih elektrolitih (reakcija redukcije kisika-ORR) in nevodnih elektrolitih (organska topila in ionske tekočine-reakcija redukcije ogljikovega dioksida-CO2RR)
c. vpogled v vlogo t.i. meje trojne faze na stičišču katalizator-ionomer-plinska faza (fundamentalni izziv, ki je bil do sedaj skorajda neobravnavan)
d. ocena vloge masnega transporta (difuzija reaktantov, produktov) na laboratorijskem nivoju-sedanje elektrokemijske metode tovrstnih študij ne omogočajo)
nabiranje ključnih podatkov potrebnih za pripravo realne 3D elektrokatalitske plasti v konfiguraciji MEA.
Sodelujoče organizacije:
a. osnovni podatki glede financiranja:
Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije B za obdobje dveh let v obsegu 1700 letnih ur. Pričetek financiranja je 1. 7. 2018.
b. sestava projektne skupine s povezavami na SICRIS
Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini Z1-9165 sodelujejo:
35375; Primož Jovanovič – http://www.sicris.si/public/jqm/rsr.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=300&code1=cmn&code2=auto&psize=1&hits=1&page=1&count=&search_term=Z1-9165&id=40393&slng=&order_by=
2 . faze projekta in njihova realizacija
Projekt je sestavljen iz naslednjih faz:
Glavne faze projekta:
Dizajniranje in implementacija nove metodologije (temelječe na plavajoči elektrodi) za bolj široko in realistično vrednotenje novih elektrokatalizatorjev na laboratorijski skali: končano
Polna evalvacija nove metodologije z uporabo standardnih, komercialno dostopnih elektrokatalizatorjev: v procesu
Sklopljenje in testiranje optimirane celice s plavajočo elektrodo z drugimi povezanimi metodami, kot so ICP-MS, mikroskopija, različne spektroskopije ipd slednje bodo služile kot pomožne tehnike (in-situ ali ex-situ), ki bodo dale izjemno pomemben dodaten vpogled v reakcijsko-transportno shemo v elektrodnem kompozitu: v procesu, sklopitev z mikroskopijo končana
Uporaba nove metodologije za karakterizacijo izbranih novih katalizatorjev za različne uporabe, primarno za reakcijo redukcije kisika (ORR), za redukcijo ogljikovega dioksida (COR) in reakcijo nastanka kisika (OER): v procesu, OER končano
Konstrukcija membransko elektronskega sklopa (MEA) z uporabo vsaj enega od testiratnih obetavnih elektrokatalizatorjev in kot dokaz koncepta – torej, da uporaba metode s plavajočo elektrodo bistveno pospeši/olajša prenos novega elektrokatalizatorja iz laboratorija v praktično napravo (MEA): faza se še ni začela
Specifične faze:
a. Optimizacija osnovne izvedbe celice s plavajočo elektrodo - na osnovi več prototipov, ki smo jih že pripravili v preliminarnih raziskavah: končano
b. Poglobljen študij aktivnosti, transporta in degradacije v katalitski plasti pod različnimi pogoji, ki posnemajo tiste v realnih napravah: v procesu
c. Podrobno ovrednotenje maksimalne aktivnosti elektrokatalizatorjev pod realističnimi pogoji: v procesu
d. Evalvacija degradacijskih fenomenov in podrobno merjenje njihove hitrosti pri različnih pogojih: v procesu
e. Pridobitev podatkov o vplivu glavnih dodatnih komponent v katalitskem sloju na delovanje elektrokatalitske kompozitne elektrode: faza se še ni začela
3. bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta
(1) Primož Jovanovic, Martina Može, Ema Gricar, Martin Šala, F. R.-Z.; Marjan Bele, Gregor Marolt, N. H. Effect of Particle Size on the Corrosion Behaviour of Gold in the Presence of Chloride Impurities : coatings 2019, 9 (10).
(2) Vanrenterghem, B.; Jovanovič, P.; Šala, M.; Bele, M.; Šelih, V. S.; Hodnik, N.; Breugelmans, T. Stability Study of Silver Nanoparticles towards the Halide Electroreduction. Electrochim. Acta 2018, 286, 123–130.
4. logotip ARRS in drugih sofinancerjev
