O cenário global de energias e transportes está mudando rapidamente, com o armazenamento inteligente de energia complementando a energia renovável. As células de combustível serão um componente importante da infraestrutura de energia inteligente, fornecendo geração de energia localizada para aplicações móveis e fixas. Especificamente no setor de transportes, os carros elétricos alimentados por células de combustível de hidrogênio vêm obtendo maior aceitação e, em breve, terão o potencial de competir com carros elétricos a bateria. Os carros com célula de combustível têm a vantagem de um carregamento rápido, ao contrário dos carros movidos a bateria, que levam, pelo menos, 30 minutos para serem totalmente carregados. 

Além disso, diferentemente das atuais baterias de íon de lítio, os materiais do eletrodo das células de combustível não usam qualquer elemento tóxico.
 
As nossas soluções analíticas resolvem muitos problemas no desenvolvimento e na otimização das células de combustível, como a estabilidade do polímero nas células de combustível de membrana de troca de prótons (PEFCs), as alterações estruturais in-situ nas células de combustível de óxido sólido (SOFCs) e a eficiência do catalisador. Em particular, nossos instrumentos são capazes de analisar a forma como a platina suportada em carbono (preto de platina), usada como catalisador para as reações eletroquímicas em anodos e catódicos de PEFC, afeta a eficiência da célula de combustível. Os parâmetros críticos que regem a eficiência de uma célula de combustível em uma determinada carga de Pt são o tamanho das partículas de Pt, o tamanho do agregado de carbono e a formulação da tinta do catalisador que determinam a micro e a macroestrutura da camada do catalisador. Analisar esses fatores ajuda os fabricantes a desenvolver as células de combustível mais eficientes possíveis.

Como posso garantir uma alta atividade específica no meu catalisador da célula de combustível?

As PEMFCs utilizam caros catalisadores de Pt, tanto para as reações de oxidação de hidrogênio (HORs) quanto para as reações de redução de oxigênio (ORRs). O tamanho das partículas de Pt, que são dispersas em um suporte de carbono, influencia diretamente a atividade catalítica. Partículas de Pt menores e bem dispersas têm uma área de superfície maior e, portanto, sua atividade específica e sua eficiência de conversão do próton a uma determinada carga de Pt serão melhores.

No entanto, partículas menores podem aumentar com o uso da célula de combustível em temperaturas elevadas, devido à coalescência por meio da migração de cristal ou por meio do amadurecimento de Ostwald modificado, dependendo da microestrutura da matriz de carbono que esteja oferecendo o suporte. A microestrutura dos agregados de carbono também desempenha uma função importante no transporte eficiente de íons. Consequentemente, o tamanho das partículas de Pt e o tamanho do agregado de carbono desempenham uma função importante na otimização da atividade catalisadora nos eletrodos das células de combustível.

Como posso medir o tamanho das partículas de Pt?

As medidas de tamanho do cristalito na difração de raios X (DRX) podem ser usadas para estimar o tamanho das partículas de Pt. Isso ocorre porque, em nanopartículas de metal que normalmente variam de 1 a 10 nm, é provável que o tamanho do cristalito seja igual ao tamanho das partículas. Essa medição pode ser feita de forma precisa em um difratômetro compacto, como o nosso DRX Aeris fácil de usar. Especificamente, o Aeris pode ser usado para sinterização in situ possibilitando a compreensão de como as partículas de Pt engrossam com a temperatura de sinterização, permitindo uma análise mais precisa da atividade catalisadora nas EMFCs.

Outro método de medição direta do tamanho das partículas de Pt é o espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS). Tanto a SAXS sozinha, quanto a SAXS e a análise de DRX em combinação com a sinterização in-situ podem ser realizadas em nossa plataforma DRX Empyrean, que fornece informações sobre como a textura e o tamanho das partículas de Pt afetam a eficiência da célula de combustível.

Como posso medir o tamanho do agregado de carbono?

As partículas de carbono em catalisadores de célula de combustível podem se aglomerar a 0,5 a 5 µm, com formas altamente alongadas. Analisar essas formas ajuda os desenvolvedores de células de combustível a maximizar a eficiência. Para isso, a difração a laser é uma técnica não destrutiva usada para medir partículas desses tamanhos e comparar a distribuição do tamanho das partículas em amostras diferentes. Nosso Mastersizer 3000 é o padrão líder do setor quando se trata de medir o tamanho das partículas usando difração laser. As amostras podem ser medidas como pós secos ou dispersão da pasta.

Outro método para a medição de agregados de carbono é o espalhamento de luz dinâmico (DLS). O DLS mede o tamanho das partículas analisando o movimento browniano das partículas dispersadas em um líquido. Partículas maiores se movimentam lentamente, enquanto partículas menores se desviam com mais rapidez. A DLS oferece muita precisão para o intervalo de tamanho das partículas de carbono que varia de 1 a 1.000 nm, no qual as partículas não são sedimentadas em virtude da gravidade. O nosso Zetasizer é o instrumento perfeito para medir o tamanho do agregado de carbono na pasta usando espalhamento de luz dinâmico (DLS). Além disso, o Zetasizer também consegue medir o potencial zeta para determinar a tendência das partículas e formar grandes agregados.

Como posso medir a estabilidade da tinta do catalisador?

Na tinta do catalisador, as partículas de Pt suportadas em carbono, juntamente com os ionômeros, são dispersadas em um líquido e, normalmente, apresentam uma carga de superfície. A aglomeração dessas partículas pode causar um revestimento não uniforme, levando a uma alta resistência no transporte iônico. Isso pode ser analisado e evitado com a medição do potencial zeta, que está relacionado à carga de superfície. Partículas com grande potencial zeta (acima de 30 mV) repelem e têm menos probabilidade de aglomerar-se, produzindo tintas mais estáveis. 

O Zetasizer, além de medir o tamanho das partículas, também mede o potencial zeta. Especificamente, ele é adequado para a medição de amostras de condução elétrica, como tinta do catalisador, usando uma célula especializada que mede amostras de alta concentração. Isso permite que os desenvolvedores produzam tintas mais estáveis, gerando células de combustível mais eficientes.

As nossas soluções

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