PEM-Wasserstoffproduktion | Elektrokatalysatoren für Membranelektroden

PEM-Wasserstoffproduktion | Elektrokatalysatoren für Membranelektroden

MEA (Membran-Elektroden-Baugruppe) ist ein Schlüsselbestandteil der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE) [auch ein wichtiger Kernbestandteil für PEM-Brennstoffzellen], der eine Protonenaustauschmembran, eine Katalysatorschicht (CL) und eine Gasdiffusionsschicht umfasst ( GDL). Als Ort, an dem die Elektrodenreaktion stattfindet, hat die Struktur von CL und GDL einen großen Einfluss auf die Übertragung von Reaktanten und Produkten (Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung), den Widerstand, die Bewegung von Protonen und Elektronen und andere damit verbundene Prozesse die Elektrodenreaktion. Die Katalysatorschicht ist der Teil, der den Katalysator trägt, und die Kathodenkatalysatorschicht und der Anodenkatalysator bilden jeweils die Wasserstoffentwicklungselektrode und die Sauerstoffentwicklungselektrode. Die katalytische Substanz der Kathodenkatalysatorschicht ist üblicherweise Platin, üblicherweise Platin-Nanopartikel auf porösem Nanokohlenstoff. Die katalytische Substanz der Anodenkatalysatorschicht ist üblicherweise Iridium oder dessen Oxid (wie etwa Iridiumdioxid). Die Protonenaustauschmembran befindet sich zwischen zwei Elektroden, in die ein Katalysator eingebettet ist. Die Protonenaustauschmembran isoliert die beiden Elektroden voneinander. Die beiden Elektroden bilden die Anode bzw. Kathode.

Bei der PEM-Wasserelektrolyse werden kohlenstoffgestützte Platin-Nanopartikel als Elektrokatalysatoren an der Kathode [Wasserstoffentwicklungselektrode] verwendet, um die HER (Wasserstoffentwicklungsreaktion) zu fördern. Die Wasserstoffentwicklungsreaktion findet an der negativen Elektrode statt und läuft wie folgt ab:

Auf der Anodenseite stehen nahezu keine unterstützenden Elektronenträger zur Verfügung. Iridium (Metall oder Oxid) ist der wirksamste und stabilste OER-Katalysator in sauren Medien, und die Anodenreaktionsgleichung lautet wie folgt:

Das derzeit größte Problem bei der Herstellung von Katalysatoren ist die Kostenfrage aufgrund der Verwendung von Edelmetallen wie Platin und Iridium. Dies ist ein wesentlicher Faktor, der die Entwicklung der PEM-Wasserstoffproduktion und der PEM-Brennstoffzellen einschränkt. Die Anwendung der PEM-Wasserstoffproduktion muss die Menge an Platin und Iridium pro Flächeneinheit reduzieren, den Herstellungsprozess der Membranelektrode und die Membranstruktur optimieren und die Stabilität der Katalysatorleistung und -struktur sicherstellen.