Toyota Ikerketa Zentraleko Laborategia: disolbatzaileen konposizioak larriki eragiten du egitura agregatuari lohi katalizatzailean

Katalizatzailearen lohien konposizio disolbatzaileak nabarmen eragiten du katalizatzailearen geruzaren poro-egituran eta eskala ekoizpenaren eraginkortasunean. Katalizatzailearen geruzaren poro-egiturak faktore ugariek eragiten dute, hala nola, materialen propietateak eta prozesuen parametroak. Ionomer adsorzioaren erlazioa da lohian egitura agregatua nagusi den faktore nagusia. Artikulu honek Toyota Ikerketa Zentraleko Laborategiko ikerketa propietate erreologikoen, ionomeroen adsortzio-tasa eta estrategien ezaugarri estrukturalen ezaugarriak.

01

Aurrekari Teknikoa

Katalizatzailearen geruzaAutomozioko erregai pilakProtoak transferitzen dituzten karbonoez onartzen diren katalizatzaileen partikulek eta ionomeroek osatzen dute. Erregai-zelularen energia bihurtzeko eraginkortasuna oso kaltetuta dago katalizatzailearen geruzaren egitura porotsuak. Elektrodo porotsuan, elektroiak PT / C katalizatzailean egiten dira, protoak iomeroan egiten dira eta oxigeno molekulak poroetan eta iomeroetan barreiatzen dira. Hiru substantziek ura sortzen dute PT katalizatzailearen gainazalean orr erreakzioaren bidez. Erregai-zelularen energia bihurtzeko eraginkortasuna ahalik eta gehien aprobetxatzeko beharrezkoa da PT / C partikulen eta ionomeroen posizioa eta egitura arautu behar izatea hiru faseko interfazea optimizatzeko.

Eskala handiko produkzioan, ekoizpen-eraginkortasun handia dela eta, katalizatzaile geruza estalki prozesu bidez estaltzen da. Slit estaldura metodoa zehaztasun handiko estaldura metodoa da. Estaldura lohiak biltegiratze gailutik hornidura-hoditeriaren bidez sakatzen da eta lohia tobera bidez isurtzen da estalitako substratuari transferitzeko. Slit estalduraren metodoan, PT / C partikulez osatutako katalizatzailearen, ionomer eta ur-alkohol disolbatzaileaz osatutako kadrilak biltegiratze gailurretik hornidura-hoditeraino sakatuta dago, eta lohia tobera bidez isurtzen da estalitako substratuari transferitzeko. Katalizatzailearen lohia lehortu ondoren, katalizatzaile porotsua protoi-truke mintzera transferitzen da presio beroaren bidez (esaterako, Toota-ren bigarren belaunaldiko Mirai Erregai Cell katalizatzailearen transferentzia metodoa bezalako transferentzia metodoa. Goiko prozesuak prestatutako katalizatzailearen geruzaren egiturak faktore ugariek dute, hala nola, karbono garraiolaria, platinoa eta ionomeroaren egoera eta sakabanaketa egoera; Prozesuen parametroak Katalizatzaileen prestaketa prozesuan, hala nola disolbatzaileen konposizioa, I / C erlazioa, tenperatura eta sakabanaketa metodoa. Horien artean, disolbatzaileen konposizioak nabarmen eragiten du katalizatzailearen geruzaren errendimenduan.

Existitzen diren ikerketek agerian utzi dute katalizatzailearen geruzan agregatu zurrunak existitzea, 100-300 nm-ko tamaina duena, batez ere 20-40 nm-ko tamaina duten PT / C-ko partikulez osatuta dagoena. Ionomeraren edukiaren eta konposizioaren arabera, aglomerazio gehiago aglomeratuak 1-10 μm-ko tamainako agregatuak osatzeko. Errendimenduaren konposizio disolbatzailearen eragina hobeto ulertzeko, beharrezkoa da disolbatzaileen konposizioak PT / C partikulen agregatuaren egituran (agregatuek katalizatzailearen geruzaren esparru nagusia) eragiten dutenak. Artikulu honetan Toyota Ikerketa Zentraleko Laborategiek egindako agregatuen egiturazko ezaugarrien egiturazko ezaugarriei buruzko disolbatzaileen konposizioaren eraginaren azterketa aurkezten da.

02

Ikerketa prestatzea

Azterketan erabilitako disolbatzailearen konposizioa etanola, 1-Propanol eta Diazetona Alkohola da. Disolbatzaile polaritatea tarte handi batean kontrolatu daiteke disolbatzaile hiru konposizioetatik, eta disolbatzaile polaritatea Hansen disolbagarritasuna da. Polaritatea handitzen den heinean, disolbatzaile polarak ionomeroan ur-garraioaren kate nagusia uxatzen du, ionomeroaren adsortzioa karbono gainazalean adsortzioa eta ionomeroaren adsortzioa γ (ionomeroaren erlazioa ionomeroarekin adsorbatzen da ionomero osora).

03

Emaitza analisia

1. irudian, katalizatzailearen lohitasun-fluxuaren kurbak agertzen dira Catalyst Slury-k zizaila-tasa, biltegiratze-modulua eta galeraren modulua tentsioarekin eta datu puntu guztiak kolore-kodetuta daude ionomer-eko γ izeneko erlazioan oinarrituta. Ikerketek frogatu dute zizaila mehea ia katalizatzaile guztietan ikusten dela, katalizatzailearen lohian eratutako agregatuak zizaila suntsitzen direla adieraziz. Beheko 3. irudian erakusten den moduan, ionomeroaren adsorzio-erlazioa% 0 eta% 20ra handitzen da, ezaugarri bereizgarri guztiak jaitsi egiten dira, ionomeroaren adsorzio-erlazioa γ% 20ra igo denean, PT / C agregatuak apurka-apurka apurtzen direla adierazten du.

1. irudia (a) biskositatea vs zizaila tasa, (b) Biltegiratze modulua vs tentsio, (c) galera modulua vs tentsio. Datu puntuen koloreak ionomer adsorzioaren erlazioa γ adierazten du (ikus irudiaren behealdeko kolore barra)

Hausturaren dimentsioa forma konplexuen irregulartasunaren neurria da, orokorrean 0tik 3ra bitartekoak dira, 0 partikula sakabanatuak irudikatzen dituztenak, 1 hagaxkako agregatuak ordezkatzen dituztenak, 2 sare lauak edo adarrak irudikatzen dituztenak eta 3 agregatu trinkoak irudikatzen dituzte. Emaitzek erakusten dute ionomer adsorzio-erlazioa γ handitzen dela, aglomerazioak agregatu txikiagoetan bereizten direla eta agregatu indecomposableek egitura mantentzen dutela. Agregatuen diametroa 200 Nm ingurukoa da. Ion ~ ~ 0% ~ ~ 0%, D2-ko dimentsioko dimentsioko dimentsioa nabarmen jaitsi da 2tik 1era. Bigarren trantsizio puntuan γ ~% 15, D2 pixkanaka 1etik 0,5ra aldatzen da. Hausturaren dimentsioaren eta propietate erreologikoen biribilgunearen koherentzia adierazten du propietate erreologikoen aldaketa agregatuaren egituraren aldaketari egozten zaiela.

Goian ikusitako propietate erreologikoetan eta egiturazko ezaugarrietan oinarrituta, Toyota Central Research Institute-k proposatu zuen agregatuen deskonposizio mekanismoa. Erosotasuna lortzeko, γ ~ ~ 0% eta ~ ~ 15wt-en egiturazko bi trantsizioak T1 eta T2 deitzen dira, hurrenez hurren. Ionomer adsorzioaren erlazioa γ γ ~% 0ko lehen puntua baino txikiagoa denean, D2 hausteko dimentsioa 2 ingurukoa da, gel koloidalen sarearen egitura eraketa adieraziz. Egoera honetan, PT / C agregatuetan ionomero kopuru txiki baten adsortzioa dela eta, partikulen arteko berrordainketa elektrostatikoa txikia da, beraz, sareko egitura agregatu bat eratzen da. Gel sareko egitura koloidalaren existentzia dela eta, biskositatea eta oreka biltegiratzeko moduluak altuak dira.

Trantsizio estrukturala T1, D2 hausturaren dimentsioa 2tik 1era nabarmen jaisten da, magnitude-ordena baten beherakada. D2 balioaren aldaketa zorrotzak adierazten du sareko egitura hagaxka antzeko zatien zatietan deskonposatzen dela. Estatu hau hemen irudikatzen da II estatu gisa. T1 trantsizio zorrotzaren ondoren, D2ren balioa gutxitzen da pixkanaka, hagaxkaren luzera pixkanaka laburbiltzen dela adierazten du iomer γ. Toyota Central Research Laborategiak zehaztu du luzera hori ionomeroaren eta hidrofoboen (edo dispertsio erakargarritasunaren) indarra hidrofoboen berrordainketa elektrostatikoaren eta indar hidrofobikoaren arteko orekaren arabera zehazten dela.

Ionomer adsorzioaren erlazioa gehiagorekin, D2ren balioa 1 eta 0,5 edo gutxiago gutxitzen da pixkanaka. Horrek esan nahi du zatiak biltzen direla agregatu isolatuak eratzen direla, iomeroaren adsortzio gehiago eragindako elkarreragin elektrostatiko hobetuaren bidez. Oso sakabanatutako egoera hau III estatu gisa definitzen da. Etapa honetan ez dago sareko egiturarik. Hori dela eta, katalizatzailearen lohiak newtoniar likido gisa jokatzen du.

Disolbatzaileen propietate espezifikoak zein diren zehazteko, Toyota Central Research Laborategiak lohien ezaugarrien eta disolbatzaileen ezaugarrien arteko korrelazioa aztertu zuen. Ikus daiteke ionomer adsorzio-erlazioa γ handitzen dela uraren pisuaren zatikiaren gehikuntzarekin. Hau da, disolbatzaile hidrofilikoek karbono fluorra hidrofoboa uxatzen dute ionomeroan eta adsorbatzen dute karbono hidrofobikoaren gainazalera. Horrek zentzuzkoa ere azaltzen du platinozko kargak ionomer adsorzioan. Disolbatzailearen eragina Katalizatzailearen egituran Hansen disolbagarritasun parametroa HSP-δPren ezaugarria izan daiteke.

Aurreko mekanismoa dela eta, HSP-δPren gehikuntzak iomer adsorzioaren erlazioa areagotzen du γ. Ondorioz, agregatuek elkarrekintza errepresiboen bidez erortzen dira, eta ondorioz, agregatuaren dimentsio fractalaren jaitsiera izan da. Azken finean, biskositatea gutxitzen da HSP-δP handituz. Nabarmentzekoa da HSP-δP-rekin behatutako korrelazioa gutxi gorabehera lerro bakarrarekin izan daitekeela disolbatzailean dagoen alkohol mota edozein dela ere, HSP-δP disolbatzaile bereizgarria dela adieraziz eta katalizatzailearen egitura agregatua eta biskoelastikotasuna modu eraginkorrean kontrolatzen dituena.

04

Laburpen

Azterketa honetan, Toyotak disolbatzaileen efektuak ikertu zituen Viscoelasticity-en, ionomer adsortzio-tasa eta agregatuen egiturazko ezaugarriak, disolbatzaileen konposizioa aldatuz, eta katalizatzaileen arteko agregatuen mekanismoa proposatu zuen.

Ura bezalako disolbatzaile polarretan, disolbatzaileak karbono-fluorina hidrofoboa uxatzen du iomeroan, eta ondorioz, ionomero askoren adsortzioa karbono hidrofobikoaren gaineko katalizatzaileen partikuletan adsortzioa izan da. Kasu honetan, ionomers adsorbatutako azido sulfonikoko taldeek elkarrekintza birpultsibo elektrostatikoak sortzen dituzte, PT / C katalizatzaileen agregatu ongi sakabanatuak, zurrunak eta bereiziak sortuz, gutxi gorabehera 200 Nm-ko tamaina dutenak. Nahiz eta modu uniformean sakabanatu, agregatu hauek ezin dira mekanikoki partikula txikiagoetan banatu. Polaritatea alkohol-edukia handituz joan ahala, areagotu egiten da, polaritatea areagotu egiten den hagaxka itxurako agregatuek. Trantsizio horiek guztiak Hansen disolbagarritasuna HSP-δP izan daitezke, disolbatzailearen polaritatea adierazten duena. Goiko ikerketek adierazten dute protoi-trukeko mintz-zelulen katalizatzaileen egitura agregatua eta biskositatea HSP-δP-k bereizten duen disolbatzaile polaritatea kontrolatuz diseinatu daiteke.