Produzione di idrogeno e caratterizzazione delle celle a combustibile a idrogeno - Applicazioni di adsorbimento di gas
L’energia dell’idrogeno è l’energia pulita che guida la trasformazione dall’energia fossile tradizionale all’energia verde. La sua densità energetica è 3 volte quella del petrolio e 4,5 volte quella del carbone! È la direzione tecnologica dirompente della futura rivoluzione energetica. La cella a combustibile a idrogeno è il vettore chiave per realizzare la conversione dell’energia dell’idrogeno in energia elettrica e i paesi di tutto il mondo attribuiscono grande importanza allo sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno. Ciò ha comportato requisiti più elevati in termini di materiali, tecnologia di processo e mezzi di caratterizzazione della catena industriale dell’energia a idrogeno e delle celle a combustibile a idrogeno. La tecnologia di adsorbimento del gas è uno dei metodi più importanti per la caratterizzazione della superficie dei materiali e svolge un ruolo cruciale nell'utilizzo dell'energia dell'idrogeno, principalmente nelle celle a combustibile a idrogeno.
Applicazione della tecnologia di adsorbimento del gas per la caratterizzazione nel settore della produzione dell'idrogeno.
Come produrre idrogeno è il primo passo per sfruttare l'energia dell'idrogeno. La produzione di idrogeno da acqua elettrolitica con elevato grado di purezza, gas a bassa impurità e facile da combinare con fonti di energia rinnovabile è considerata la fornitura di energia verde di idrogeno più promettente per il futuro [1].
Per migliorare l’efficienza della produzione di idrogeno dall’acqua elettrolitica, lo sviluppo e l’utilizzo di catalizzatori per elettrodi HER ad alte prestazioni è un modo comprovato.
I materiali porosi in carbonio rappresentati dal grafene hanno eccellenti proprietà fisico-chimiche, come una ricca struttura dei pori, un'ampia area superficiale specifica, un'elevata conduttività elettrica e una buona stabilità elettrochimica, che offrono nuove opportunità per la costruzione di efficienti sistemi catalitici compositi. La capacità di precipitazione dell'idrogeno viene migliorata utilizzando il caricamento del co-catalizzatore o il drogaggio con eteroatomi [2].
Inoltre, un gran numero di studi hanno dimostrato che l’attività catalitica dei catalizzatori per elettrodi HER dipende in gran parte dal numero di siti attivi esposti sulle loro superfici e quanto più siti attivi sono esposti, tanto migliore è la loro prestazione catalitica corrispondente. La maggiore area superficiale specifica del materiale di carbonio poroso, quando utilizzato come vettore, esporrà in una certa misura più siti attivi al materiale attivo e accelererà la reazione di produzione di idrogeno.
Di seguito sono riportati esempi di caratterizzazione di materiali in grafene utilizzando l'analizzatore di superficie e dimensione dei pori specifico della serie CIQTEK V-Sorb X800. Dalla Figura 1 si può vedere che l'area superficiale del grafene preparato mediante diversi processi presenta una grande differenza di 516,7 m2/g e 88,64 m2/g, rispettivamente. I ricercatori possono utilizzare i risultati del test dell'area superficiale specifica per esprimere un giudizio sull'attività catalitica di base, che può fornire un riferimento corrispondente per la preparazione di catalizzatori compositi.
Fig. 1 Risultati dei test sull'area superficiale specifica del grafene sintetizzato mediante diversi processi
Inoltre, molti ricercatori hanno migliorato l’attività elettrocatalitica della produzione di idrogeno dall’acqua elettrolitica combinando fosfuri di metalli di transizione, come il fosfuro di cobalto, con materiali di carbonio con un’elevata area superficiale specifica. Come mostrato nella Figura 2, caricando fosfuro di cobalto su materiali di carbonio porosi, in base ai risultati del test BET si può concludere che l'area superficiale specifica dei compositi carbonio/fosfuro di cobalto può arrivare fino a 195,44 m2/g. L'elevata area superficiale specifica può fornire più siti attivi a contatto con l'elettrolita e, allo stesso tempo, a causa del moderato adsorbimento di ossigeno/idrogeno e dell'energia di dissociazione, mostrerà quindi un'eccellente attività elettrocatalitica.
Fig. 2 Risultati dei test relativi all'area superficiale specifica dei compositi di carbonio/fosfuro di cobalto
Applicazione della tecnologia di adsorbimento del gas per la caratterizzazione nel settore delle celle a combustibile a idrogeno
La cella a combustibile a idrogeno è un dispositivo di generazione di energia che utilizza l'idrogeno come combustibile e converte l'energia chimica nel combustibile direttamente in elettricità attraverso una reazione elettrochimica, che presenta i vantaggi di un'elevata efficienza di conversione energetica, zero emissioni e assenza di rumore.
La ricerca attuale sulle celle a combustibile a idrogeno si concentra sull’attacco di tecnologie come le membrane a scambio protonico, gli elettrocatalizzatori e le piastre bipolari. In una cella a combustibile a idrogeno, una membrana a scambio protonico ideale (PEM) separa completamente la camera piena di idrogeno dalla camera di combustione piena di ossigeno, consentendo solo ai protoni di passare da soli. L'attuale isolamento della membrana di scambio protonico delle celle a combustibile a idrogeno comunemente usato non è abbastanza buono, il che può parzialmente mescolare il combustibile a idrogeno con l'ossidante e quindi compromettere le prestazioni elettrochimiche della cella a combustibile a idrogeno.
Negli ultimi anni, ha ricevuto molta attenzione lo studio dei PEM formati dal composito di MOF poroso e polimeri, in cui la struttura della struttura del MOF può essere modificata da alcuni composti che facilitano la conduzione protonica, e quindi i materiali formati a base di MOF vengono ulteriormente realizzati in membrane ibride a base polimerica. L'elevata area superficiale specifica del MOF può anche ospitare più portatori di protoni, il che offre l'opportunità di aumentare la conduttività protonica delle opportunità delle membrane composite. Inoltre, la ricca struttura dei pori del MOF facilita la costruzione di reti di legami idrogeno nei suoi pori come un percorso efficace per il trasporto dei protoni, che a sua volta aumenta la mobilità dei protoni attivi [3].
La Figura 3 mostra un esempio di caratterizzazione dei compositi MOF utilizzando l'analizzatore specifico di superficie e dimensione dei pori sviluppato da GSI serie V-Sorb X800.
Fig. 3 (a) Risultati del test BET; (b) Isoterma di adsorbimento-desorbimento di N2
La Figura 3(a) mostra la BET dei compositi MOF a 1242,58 m2/g. Figura 3(b) Le isoterme di adsorbimento-desorbimento di N2 sono vicine alle isoterme di classe I, indicando una struttura microporosa più abbondante. In combinazione con l'analisi del diagramma di distribuzione delle dimensioni dei pori, la Figura 4 (a) mostra che non esiste una tendenza evidente della distribuzione concentrata nel diagramma di distribuzione delle dimensioni dei pori BJH, indicando che non esiste una distribuzione concentrata delle dimensioni dei pori mesoporosi. Nella Figura 4 (b), la distribuzione delle dimensioni dei pori SF mostra che esiste una distribuzione concentrata di micropori vicino a 0,57 nm, indicando che la dimensione dei pori più disponibile è 0,57 nm.
Fig. 4 (a) Distribuzione delle dimensioni dei pori di adsorbimento BJH; (b) Distribuzione delle dimensioni dei pori di adsorbimento SF
Inoltre, nello stack di celle a combustibile a idrogeno, il processo di reazione di ossidazione dell'idrogeno e di riduzione dell'ossigeno sull'elettrodo è controllato principalmente dal catalizzatore. Il catalizzatore è il principale fattore che influenza la polarizzazione di attivazione delle celle a combustibile a idrogeno ed è considerato un materiale chiave per le celle a combustibile a idrogeno, che determina le prestazioni complessive e l'economia dell'uso dei veicoli a celle a combustibile a idrogeno [4]. Il platino è uno dei catalizzatori più comunemente utilizzati per le celle a combustibile, ma il costo più elevato ne limita l’uso su larga scala. Lo stesso materiale di carbonio poroso rappresentato dal grafene può essere utilizzato anche come vettore elettrocatalitico per celle a combustibile a idrogeno. Caricato con catalizzatori non al platino sulla sua superficie, la sua efficienza catalitica per la produzione di idrogeno può soddisfare o superare quella dei catalizzatori convenzionali a base di platino, contribuendo ad aumentare l'applicazione delle celle a combustibile a idrogeno.
Analizzatore automatico di superficie e porosimetria CIQTEK BET Serie CIQTEK EASY-V
Analizzatore automatico di superficie e porosimetria CIQTEK BET La serie CIQTEK EASY-V adotta il principio di test del metodo del volume statico, con un funzionamento completamente automatizzato, un'interfaccia operativa umanizzata e facile da apprendere.
Riferimenti:
[1] Wang P, Qi J, Chen X et al. Matrici a doppio idrossido tridimensionali eterostrutturate NiCoP@ NiMn supportate su schiuma di Ni come elettrocatalizzatore bifunzionale per la scissione complessiva dell'acqua[J]. Materiali e interfacce applicati ACS, 2019, 12(4): 4385-4395.
[2] Huang H, Shi H, Das P, et al. La chimica e le promettenti applicazioni del grafene e dei materiali porosi in grafene[J]. Materiali funzionali avanzati, 2020, 30(41): 1909035.
[5] Chen J, Mei Q, Chen Y, et al. Conduzione protonica altamente efficiente nel materiale della struttura metallo-organica MFM-300 (Cr) · SO4 (H3O) 2[J]. Giornale dell'American Chemical Society, 2022, 144(27): 11969-11974.
[6] Liu, Yingdu, Guo, Hongxia, Ouyang, Xiaoping. Stato attuale e prospettive future dello sviluppo della tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno[J]. Scienze ingegneristiche cinesi, 2021.
EASY-V 1440 è lo strumento di analisi della superficie specifica e della dimensione dei pori BET sviluppato indipendentemente da CIQTEK, utilizzando il metodo volumetrico statico. ▪ Test dell'area superficiale specifica, intervallo 0,0005 (m 2 /g) e superiore. ▪ Analisi della dimensione dei pori: 2 nm-500 nm. ▪ Quattro stazioni di analisi, analisi simultanea di 4 campioni. ▪ Dotato di pompa per vuoto a due stadi.
Saperne di piùEASY-V 3440 è lo strumento di analisi della superficie specifica e della dimensione dei pori BET sviluppato indipendentemente da CIQTEK, utilizzando il metodo volumetrico statico . ▪ Test dell'area superficiale specifica, intervallo 0,0005 (m 2 /g) e superiore. ▪ Analisi della dimensione dei pori: 0,35 nm-2 nm (micropori), analisi della distribuzione delle dimensioni dei micropori; 2 nm-500 nm (mesoporo o macroporo). ▪ Quattro stazioni di analisi, analisi simultanea di 4 campioni. ▪ Dotato di pompa molecolare.
Saperne di piùGli analizzatori di adsorbimento di gas ad alta pressione e alta temperatura EASY-H 1210 e EASY-H 1420 sono strumenti di test per isoterme di adsorbimento e desorbimento ad alte prestazioni sviluppati in modo indipendente da CIQTEK, che adotta il metodo volumetrico statico. La gamma di temperature e pressioni isotermiche può essere testata per soddisfare le esigenze di molti campi di ricerca. Il prodotto ha una funzione di test di adsorbimento ad alta temperatura e alta pressione e un'esclusiva piattaforma di pressione isotermica PCT e di assorbimento e desorbimento dell'idrogeno, che può essere ampiamente utilizzata nell'industria dello stoccaggio dell'idrogeno in materiali in lega di terre rare, nel gas di scisto e nella ricerca sull'adsorbimento di metano da carbone, esplorazione del petrolio e separazione del gas e altri campi; è anche importante per comprendere le prestazioni di adsorbimento di alcuni materiali di adsorbimento come catalizzatori, setacci molecolari e carbone attivo, la ricerca su celle a combustibile, nanotubi di carbonio e grafene.
Saperne di piùGli analizzatori di adsorbimento di gas ad alta pressione e alta temperatura EASY-H 2210 e EASY-H 2420 sono strumenti di test per isoterme di adsorbimento e desorbimento ad alte prestazioni sviluppati in modo indipendente da CIQTEK, che adotta il metodo volumetrico statico. Gli analizzatori di adsorbimento di gas ad alta pressione e alta temperatura EASY-H 2210 e EASY-H 2420 sono strumenti di test per isoterme di adsorbimento e desorbimento ad alte prestazioni sviluppati in modo indipendente da CIQTEK, che adotta il metodo volumetrico statico.
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