Napredna mikroskopija za vrednotenje realistične degradacije gorivnih celic
Raziskovalci Laboratorija za elektrokatalizo so razvili napreden pristop za spremljanje degradacije katalizatorjev v gorivnih celicah s protonsko izmenjevalno membrano. V članku, objavljenem v reviji ACS Catalysis, so pokazali, da ima prisotnost membrane v polceličnih meritvah ključno vlogo pri realističnem vrednotenju stabilnosti katalizatorjev. Z avtomatizirano analizo porazdelitve velikosti nanodelcev na identičnih mestih z vrstično elektronsko mikroskopijo so lahko neposredno spremljali, kako se katalizatorski nanodelci spreminjajo med pospešenimi testi staranja.
Gorivne celice so pomembna tehnologija za pretvorbo vodika v električno energijo, vendar njihovo širšo uporabo, med drugim, še vedno omejuje dolgoročna stabilnost katalizatorjev. Ti pogosto temeljijo na platini oziroma platinovih zlitinah, ki se med delovanjem lahko raztapljajo, migrirajo in ponovno odlagajo. Posledica so rast nanodelcev, izguba aktivne površine in slabše delovanje gorivne celice.
V raziskavi so primerjali plinsko difuzijsko elektrodo (GDE) brez membrane in elektrodo, prekrito s protonsko izmenjevalno membrano. Rezultati so pokazali, da polcelični sistem brez membrane, ki je standardna praksa za laboratorijsko testiranje, vodi do izrazitejše degradacije, saj je katalizatorska plast neposredno izpostavljena tekočemu elektrolitu. To spodbuja raztapljanje in migriranje platine ter povzroči pretirano rast nanodelcev. Prisotnost membrane pa omeji transportne poti in bolje posnema razmere v dejanski gorivni celici. Zato takšen pristop omogoča bolj realističen vpogled v to, kako se katalizatorji spreminjajo med delovanjem.
V kompleksnejših in bolj realističnih sistemih, kot so plinsko difuzijske elektrode (GDE), standardna analiza delcev na identičnih lokacijah z uporabo transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) ni neposredno izvedljiva. Zato je ena ključnih posebnosti raziskave uporaba vrstične elektronske mikroskopije (SEM) na identičnih lokacijah, ki omogoča spremljanje sprememb katalizatorskih nanodelcev v dejanski katalizatorski plasti. Raziskovalci so pred testiranjem in po njem analizirali ista območja elektrode, kar omogoča neposredno primerjavo morfoloških sprememb na ravni nanodelcev. Avtomatizirana analiza porazdelitve velikosti delcev je dodatno omogočila obdelavo večjega števila mikroskopskih posnetkov ter s tem statistično zanesljivejše vrednotenje degradacijskih sprememb.
Raziskava kaže, da je za zanesljivo vrednotenje stabilnosti katalizatorjev nujno testiranje v pogojih, ki čim bolje posnemajo dejansko delovanje gorivne celice. Predstavljeni pristop omogoča natančnejše razumevanje degradacijskih mehanizmov in predstavlja pomemben korak k razvoju trajnejših katalizatorjev ter učinkovitejših vodikovih gorivnih celic.
Raziskava, objavljena v reviji ACS Catalysis (faktor vpliva 13,6), je plod dela Mitje Kostelca, Gorana Dražića, Ane Rebeke Kamšek, Jana Vidergarja, Gregorja Kapuna in Nejca Hodnika. Članek z naslovom Realistic Fuel Cell Catalyst Degradation via Automated Identical Location SEM-PSD Analysis with the GDE Half-Cell Setup je bila izbrana tudi za naslovnico revije.
Kostelec, M.; Dražić, G.; Kamšek, A. R.; Vidergar, J.; Kapun, G.; Hodnik, N. Realistic Fuel Cell Catalyst Degradation via Automated Identical Location SEM-PSD Analysis with the GDE Half-Cell Setup. ACS Catal. 2026, 16 (12), 11207–11218.
Povezava do objave: doi.org/10.1021/acscatal.6c01369.
Kontakt: Mitja Kostelec, Mitja.Kostelec@ki.si