Wasserstoffproduktion und Charakterisierung von Wasserstoffbrennstoffzellen – Gasadsorptionsanwendungen
Wasserstoffenergie ist die saubere Energie, die den Wandel von traditioneller fossiler Energie zu grüner Energie vorantreibt. Seine Energiedichte ist dreimal so hoch wie die von Öl und 4,5-mal so hoch wie die von Kohle! Es ist die disruptive Technologierichtung der zukünftigen Energiewende. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist der wichtigste Träger für die Umwandlung von Wasserstoffenergie in elektrische Energie, und Länder auf der ganzen Welt legen großen Wert auf die Entwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie. Dies hat höhere Anforderungen an Materialien, Prozesstechnologie und Charakterisierungsmittel der Wasserstoffenergie- und Wasserstoff-Brennstoffzellen-Industriekette gestellt. Die Gasadsorptionstechnologie ist eine der wichtigen Methoden zur Charakterisierung von Materialoberflächen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Nutzung von Wasserstoffenergie, hauptsächlich in Wasserstoffbrennstoffzellen.
Anwendung der Gasadsorptionstechnologie zur Charakterisierung in der Wasserstoffproduktionsindustrie.
Die Herstellung von Wasserstoff ist der erste Schritt bei der Nutzung der Wasserstoffenergie. Die Wasserstoffproduktion aus elektrolytischem Wasser mit hohem Reinheitsgrad, geringem Gasgehalt und einfacher Kombination mit erneuerbaren Energiequellen gilt als die vielversprechendste grüne Wasserstoffenergieversorgung der Zukunft [1].
Um die Effizienz der Wasserstoffproduktion aus Elektrolytwasser zu verbessern, ist die Entwicklung und Nutzung leistungsstarker HER-Elektrodenkatalysatoren ein bewährter Weg.
Durch Graphen dargestellte poröse Kohlenstoffmaterialien weisen hervorragende physikalisch-chemische Eigenschaften auf, wie z. B. eine reiche Porenstruktur, eine große spezifische Oberfläche, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine gute elektrochemische Stabilität, die neue Möglichkeiten für den Aufbau effizienter Verbundkatalysatorsysteme eröffnen. Die Wasserstoffausfällungskapazität wird durch Cokatalysatorbeladung oder Heteroatomdotierung erhöht [2].
Darüber hinaus hat eine große Anzahl von Studien gezeigt, dass die katalytische Aktivität von HER-Elektrodenkatalysatoren weitgehend von der Anzahl der auf ihren Oberflächen freiliegenden aktiven Stellen abhängt und je mehr aktive Stellen freigelegt sind, desto besser ist ihre entsprechende katalytische Leistung. Durch die größere spezifische Oberfläche von porösem Kohlenstoffmaterial werden bei Verwendung als Träger bis zu einem gewissen Grad mehr aktive Stellen dem aktiven Material ausgesetzt und die Reaktion der Wasserstoffproduktion beschleunigt.
Im Folgenden finden Sie Beispiele für die Charakterisierung von Graphenmaterialien mit dem spezifischen Oberflächen- und Porengrößenanalysator der Serie CIQTEK V-Sorb X800. Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass die Oberfläche von Graphen, das durch verschiedene Verfahren hergestellt wurde, einen großen Unterschied von 516,7 m2/g bzw. 88,64 m2/g aufweist. Forscher können die Ergebnisse des spezifischen Oberflächentests nutzen, um eine Beurteilung der grundlegenden katalytischen Aktivität vorzunehmen, die als entsprechende Referenz für die Herstellung von Verbundkatalysatoren dienen kann.
Abb. 1 Testergebnisse der spezifischen Oberfläche von Graphen, das durch verschiedene Prozesse synthetisiert wurde
Darüber hinaus haben viele Forscher die elektrokatalytische Aktivität der Wasserstoffproduktion aus Elektrolytwasser verbessert, indem sie Übergangsmetallphosphide wie Kobaltphosphid mit Kohlenstoffmaterialien mit einer hohen spezifischen Oberfläche kombiniert haben. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann durch die Beladung von porösen Kohlenstoffmaterialien mit Kobaltphosphid anhand der BET-Testergebnisse die spezifische Oberfläche von Kohlenstoff/Kobaltphosphid-Verbundwerkstoffen auf bis zu 195,44 m2/g geschätzt werden. Die hohe spezifische Oberfläche kann mehr aktive Stellen im Kontakt mit dem Elektrolyten bereitstellen und weist gleichzeitig aufgrund der moderaten Sauerstoff-/Wasserstoffadsorptions- und Dissoziationsenergie eine hervorragende elektrokatalytische Aktivität auf.
Abb. 2 Testergebnisse der spezifischen Oberfläche von Kohlenstoff/Kobaltphosphid-Verbundwerkstoffen
Anwendung der Gasadsorptionstechnologie zur Charakterisierung in der Wasserstoff-Brennstoffzellenindustrie
Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist ein Stromerzeugungsgerät, das Wasserstoff als Brennstoff verwendet und die chemische Energie im Brennstoff durch eine elektrochemische Reaktion direkt in Elektrizität umwandelt, was die Vorteile einer hohen Energieumwandlungseffizienz, Nullemissionen und keinem Lärm bietet.
Die aktuelle Forschung zu Wasserstoffbrennstoffzellen konzentriert sich auf den Angriff von Technologien wie Protonenaustauschmembranen, Elektrokatalysatoren und Bipolarplatten. In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle trennt eine ideale Protonenaustauschmembran (PEM) die mit Wasserstoff gefüllte Kammer vollständig von der mit Sauerstoff gefüllten Brennkammer, sodass nur Protonen allein hindurchtreten können. Die derzeit üblicherweise verwendete Protonenaustauschmembranisolierung für Wasserstoffbrennstoffzellen ist nicht gut genug, wodurch der Wasserstoffbrennstoff teilweise mit dem Oxidationsmittel vermischt und somit die elektrochemische Leistung der Wasserstoffbrennstoffzelle beeinträchtigt werden kann.
In den letzten Jahren hat die Untersuchung von PEMs, die durch den Verbund aus porösem MOF und Polymeren gebildet werden, große Aufmerksamkeit erhalten, wobei die MOF-Gerüststruktur durch einige Verbindungen modifiziert werden kann, die die Protonenleitung erleichtern, und dann die gebildeten MOF-basierten Materialien weiter hergestellt werden in polymerbasierte Hybridmembranen. Die hohe spezifische Oberfläche von MOF kann auch mehr Protonenträger aufnehmen, was die Möglichkeit bietet, die Protonenleitfähigkeit der Verbundmembranen zu erhöhen. Darüber hinaus erleichtert die reiche Porenstruktur von MOF den Aufbau von Wasserstoffbindungsnetzwerken in seinen Poren als wirksamen Weg für den Protonentransport, was wiederum die Mobilität aktiver Protonen erhöht [3].
Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für die Charakterisierung von MOF-Verbundwerkstoffen mit dem von GSI selbst entwickelten spezifischen Oberflächen- und Porengrößenanalysator der V-Sorb X800-Serie.
Abb. 3 (a) BET-Testergebnisse; (b) N2-Adsorptions-Desorptions-Isotherme
Abbildung 3(a) zeigt die BET von MOF-Verbundwerkstoffen bei 1242,58 m2/g. Abbildung 3(b) N2-Adsorptions-Desorptions-Isothermen liegen nahe an den Klasse-I-Isothermen, was auf eine häufiger vorkommende mikroporöse Struktur hinweist. In Kombination mit der Analyse des Porengrößenverteilungsdiagramms zeigt Abbildung 4(a), dass es im BJH-Porengrößenverteilungsdiagramm keinen offensichtlichen Trend der konzentrierten Verteilung gibt, was darauf hindeutet, dass es keine konzentrierte mesoporöse Porengrößenverteilung gibt. In Abb. 4(b) zeigt die SF-Porengrößenverteilung, dass es eine konzentrierte Verteilung von Mikroporen in der Nähe von 0,57 nm gibt, was darauf hinweist, dass die am häufigsten verfügbare Porengröße 0,57 nm beträgt.
Abb. 4 (a) BJH-Adsorptionsporengrößenverteilung; (b) SF-Adsorptionsporengrößenverteilung
Darüber hinaus wird im Stapel von Wasserstoff-Brennstoffzellen der Prozess der Wasserstoffoxidationsreaktion und der Sauerstoffreduktionsreaktion an der Elektrode hauptsächlich durch den Katalysator gesteuert. Der Katalysator ist der Hauptfaktor, der die Aktivierungspolarisation von Wasserstoff-Brennstoffzellen beeinflusst, und gilt als Schlüsselmaterial für Wasserstoff-Brennstoffzellen, das die Gesamtleistung und Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen bestimmt [4]. Platin ist einer der am häufigsten verwendeten Katalysatoren für Brennstoffzellen, aber die höheren Kosten schränken seinen großtechnischen Einsatz ein. Das gleiche poröse Kohlenstoffmaterial wie Graphen kann auch als Elektrokatalysatorträger für Wasserstoffbrennstoffzellen verwendet werden. Da es auf seiner Oberfläche mit Nicht-Platin-Katalysatoren beladen ist, kann seine katalytische Effizienz bei der Wasserstoffproduktion die von herkömmlichen Platin-basierten Katalysatoren erreichen oder sogar übertreffen, was dazu beiträgt, die Anwendung von Wasserstoff-Brennstoffzellen zu erweitern.
CIQTEK Automatischer BET-Oberflächen- und Porosimetrieanalysator CIQTEK EASY-V-Serie
Der automatische BET-Oberflächen- und Porosimetrieanalysator von CIQTEK, die CIQTEK EASY-V-Serie, nutzt das Testprinzip der statischen Volumenmethode mit einem vollautomatischen Betrieb, einer benutzerfreundlichen Bedienoberfläche und ist leicht zu erlernen.
Verweise:
[1] Wang P, Qi J, Chen X, et al. Dreidimensionale heterostrukturierte NiCoP@ NiMn-schichtige Doppelhydroxid-Arrays auf Ni-Schaum als bifunktionaler Elektrokatalysator für die gesamte Wasserspaltung[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 12(4): 4385-4395.
[2] Huang H., Shi H., Das P. et al. Die Chemie und vielversprechende Anwendungen von Graphen und porösen Graphenmaterialien[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(41): 1909035.
[5] Chen J, Mei Q, Chen Y, et al. Hocheffiziente Protonenleitung im metallorganischen Gerüstmaterial MFM-300 (Cr)·SO4 (H3O) 2[J]. Journal of the American Chemical Society, 2022, 144(27): 11969-11974.
[6] Liu, Yingdu, Guo, Hongxia, Ouyang, Xiaoping. Aktueller Stand und Zukunftsaussichten der Entwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie[J]. China Engineering Science, 2021.
EASY-V 1440 ist das BET-Analysegerät für die spezifische Oberfläche und Porengröße, das unabhängig von CIQTEK unter Verwendung der statischen volumetrischen Methode entwickelt wurde. ▪ Prüfung der spezifischen Oberfläche, Bereich 0,0005 (m 2 /g) und mehr. ▪ Porengrößenanalyse: 2 nm-500 nm. ▪ Vier Analyseplätze, gleichzeitige Prüfung von 4 Proben. ▪ Ausgestattet mit der zweistufigen Vakuumpumpe.
Erfahren Sie mehrEASY-V 3440 ist das BET-Analysegerät für die spezifische Oberfläche und Porengröße, das unabhängig von CIQTEK unter Verwendung der statischen volumetrischen Methode entwickelt wurde . ▪ Prüfung der spezifischen Oberfläche, Bereich 0,0005 (m 2 /g) und mehr. ▪ Porengrößenanalyse: 0,35 nm–2 nm (Mikroporen), Analyse der Mikroporengrößenverteilung; 2 nm-500 nm (Mesopore oder Makropore). ▪ Vier Analyseplätze, gleichzeitige Prüfung von 4 Proben. ▪ Ausgestattet mit der Molekularpumpe.
Erfahren Sie mehrDie Hochdruck- und Hochtemperatur-Gasadsorptionsanalysatoren EASY-H 1210 und EASY-H 1420 sind leistungsstarke Adsorptions- und Desorptionsisothermen-Prüfgeräte, die unabhängig von CIQTEK entwickelt wurden und die statische volumetrische Methode anwenden. Der Bereich isothermer Temperaturen und Drücke kann getestet werden, um den Anforderungen vieler Forschungsbereiche gerecht zu werden. Das Produkt verfügt über eine Hochtemperatur- und Hochdruck-Adsorptionstestfunktion und eine einzigartige PCT-Isothermen- und Wasserstoffabsorptions- und -desorptionsdruckplattform, die in der Wasserstoffspeicherindustrie für Seltenerdlegierungsmaterialien, Schiefergas und Kohleflöz-Methanadsorptionsforschung weit verbreitet sein kann. Erdölexploration und Gastrennung und andere Bereiche; Es ist auch wichtig für das Verständnis der Adsorptionsleistung einiger Adsorptionsmaterialien wie Katalysatoren, Molekularsiebe und Aktivkohle sowie für die Erforschung von Brennstoffzellen, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen.
Erfahren Sie mehrDie Hochdruck- und Hochtemperatur-Gasadsorptionsanalysatoren EASY-H 2210 und EASY-H 2420 sind leistungsstarke Adsorptions- und Desorptionsisothermen-Prüfgeräte, die unabhängig von CIQTEK entwickelt wurden und die statische volumetrische Methode anwenden. Die Hochdruck- und Hochtemperatur-Gasadsorptionsanalysatoren EASY-H 2210 und EASY-H 2420 sind leistungsstarke Adsorptions- und Desorptionsisothermen-Prüfgeräte, die unabhängig von CIQTEK entwickelt wurden und die statische volumetrische Methode anwenden.
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