Produção de Hidrogênio e Caracterização de Células de Combustível de Hidrogênio - Aplicações de Adsorção de Gás
A energia do hidrogênio é a energia limpa que impulsiona a transformação da energia fóssil tradicional em energia verde. A sua densidade energética é 3 vezes superior à do petróleo e 4,5 vezes superior à do carvão! É a direção tecnológica disruptiva da futura revolução energética. A célula a combustível de hidrogênio é o principal veículo para realizar a conversão da energia do hidrogênio em energia elétrica, e países ao redor do mundo atribuem grande importância ao desenvolvimento da tecnologia de células a combustível de hidrogênio. Isso impôs requisitos mais elevados em materiais, tecnologia de processo e meios de caracterização da energia do hidrogênio e da cadeia industrial de células de combustível de hidrogênio. A tecnologia de adsorção de gás é um dos métodos importantes para caracterização de superfícies de materiais e desempenha um papel crucial na utilização da energia do hidrogênio, principalmente em células a combustível de hidrogênio.
Aplicação da tecnologia de adsorção de gás para caracterização na indústria de produção de hidrogênio
Como produzir hidrogênio é o primeiro passo no aproveitamento da energia do hidrogênio. A produção de hidrogênio a partir de água eletrolítica com alto grau de pureza, gás com baixa impureza e fácil de combinar com fontes de energia renováveis é considerada a fonte de energia de hidrogênio verde mais promissora no futuro [1].
Para melhorar a eficiência da produção de hidrogênio a partir de água eletrolítica, o desenvolvimento e a utilização de catalisadores de eletrodo HER de alto desempenho são um caminho comprovado.
Os materiais porosos de carbono representados pelo grafeno possuem excelentes propriedades físico-químicas, como rica estrutura de poros, grande área superficial específica, alta condutividade elétrica e boa estabilidade eletroquímica, que trazem novas oportunidades para a construção de sistemas catalíticos compósitos eficientes. A capacidade de precipitação de hidrogênio é aumentada usando carregamento de cocatalisador ou dopagem de heteroátomos [2].
Além disso, um grande número de estudos mostrou que a atividade catalítica dos catalisadores de eletrodo HER depende em grande parte do número de sítios ativos expostos em suas superfícies e quanto mais sítios ativos expostos, melhor será o seu desempenho catalítico correspondente. A maior área superficial específica do material de carbono poroso, quando utilizado como transportador, irá, até certo ponto, expor mais sítios activos ao material activo e acelerar a reacção de produção de hidrogénio.
A seguir estão exemplos de caracterização de materiais de grafeno usando o analisador específico de superfície e tamanho de poro da série CIQTEK V-Sorb X800. Na Figura 1 pode-se observar que a área superficial do grafeno preparado por diferentes processos apresenta uma grande diferença de 516,7 m2/g e 88,64 m2/g, respectivamente. Os pesquisadores podem usar os resultados do teste de área superficial específica para avaliar a atividade catalítica básica, o que pode fornecer uma referência correspondente para a preparação de catalisadores compostos.
Fig. 1 Resultados do teste da área superficial específica do grafeno sintetizado por diferentes processos
Além disso, muitos pesquisadores melhoraram a atividade eletrocatalítica da produção de hidrogênio a partir de água eletrolítica, combinando fosfetos de metais de transição, como o fosfeto de cobalto, com materiais de carbono com alta área superficial específica. Como mostrado na Figura 2, ao carregar fosfeto de cobalto em materiais de carbono porosos, a área superficial específica dos compósitos de fosfeto de carbono/cobalto pode ser concluída em até 195,44 m2/g pelos resultados do teste BET. A alta área superficial específica pode fornecer locais mais ativos em contato com o eletrólito e, ao mesmo tempo, devido à moderada adsorção de oxigênio/hidrogênio e energia de dissociação, exibirá então excelente atividade eletrocatalítica.
Fig. 2 Resultados de testes de área superficial específica de compósitos de fosfeto de carbono/cobalto
Aplicação da tecnologia de adsorção de gás para caracterização na indústria de células a combustível de hidrogênio
A célula a combustível de hidrogênio é um dispositivo de geração de energia que utiliza hidrogênio como combustível e converte a energia química do combustível diretamente em eletricidade por meio de uma reação eletroquímica, que tem as vantagens de alta eficiência de conversão de energia, emissão zero e nenhum ruído.
A pesquisa atual em células a combustível de hidrogênio concentra-se no ataque de tecnologias como membranas de troca de prótons, eletrocatalisadores e placas bipolares. Em uma célula a combustível de hidrogênio, uma membrana ideal de troca de prótons (PEM) separa completamente a câmara cheia de hidrogênio da câmara de combustão cheia de oxigênio, permitindo que apenas os prótons passem sozinhos. O isolamento da membrana de troca de prótons da célula a combustível de hidrogênio comumente usado atualmente não é bom o suficiente, o que pode misturar parcialmente o combustível de hidrogênio com o oxidante e, assim, prejudicar o desempenho eletroquímico da célula a combustível de hidrogênio.
Nos últimos anos, o estudo de PEMs formados pelo compósito de MOF poroso e polímeros tem recebido muita atenção, nos quais a estrutura do MOF pode ser modificada por alguns compostos que facilitam a condução de prótons, e então os materiais formados à base de MOF são posteriormente fabricados. em membranas híbridas à base de polímeros. A alta área superficial específica do MOF também pode acomodar mais portadores de prótons, o que oferece uma oportunidade para aumentar a condutividade de prótons das membranas compostas. Além disso, a rica estrutura de poros do MOF facilita a construção de redes de ligações de hidrogênio em seus poros como um caminho eficaz para o transporte de prótons, o que por sua vez aumenta a mobilidade dos prótons ativos [3].
A Figura 3 mostra um exemplo de caracterização de compósitos MOF usando o analisador específico de superfície e tamanho de poro da série V-Sorb X800 desenvolvido pela própria GSI.
Figura 3 (a) Resultados do teste BET; (b) isoterma de adsorção-dessorção de N2
A Figura 3 (a) demonstra a APOSTA dos compósitos MOF em 1242,58 m2/g. Figura 3 (b) As isotermas de adsorção-dessorção de N2 estão próximas das isotermas de classe I, indicando uma estrutura microporosa mais abundante. Combinada com a análise do diagrama de distribuição de tamanho de poro, a Figura 4 (a) mostra que não há tendência óbvia de distribuição concentrada no diagrama de distribuição de tamanho de poro BJH, indicando que não há distribuição concentrada de tamanho de poro mesoporoso. Na Figura 4 (b), a distribuição do tamanho dos poros SF mostra que há uma distribuição concentrada de microporos perto de 0,57 nm, indicando que o tamanho de poro mais disponível é 0,57 nm.
Figura 4 (a) Distribuição do tamanho dos poros de adsorção BJH; (b) Distribuição do tamanho dos poros de adsorção de SF
Além disso, na pilha de células a combustível de hidrogênio, o processo de reação de oxidação de hidrogênio e reação de redução de oxigênio no eletrodo é controlado principalmente pelo catalisador. O catalisador é o principal fator que afeta a polarização de ativação das células a combustível de hidrogênio e é considerado um material chave para células a combustível de hidrogênio, que determina o desempenho geral e a economia do uso de veículos com células a combustível de hidrogênio [4]. A platina é um dos catalisadores mais comumente usados para células de combustível, mas o custo mais elevado limita seu uso em larga escala. O mesmo material de carbono poroso representado pelo grafeno também pode ser usado como transportador eletrocatalisador para células a combustível de hidrogênio. Carregado com catalisadores não platinados na sua superfície, a sua eficiência catalítica para a produção de hidrogénio pode igualar ou exceder a dos catalisadores convencionais à base de platina, ajudando a aumentar a aplicação de células de combustível de hidrogénio.
Analisador automático de área de superfície e porosimetria CIQTEK BET Série CIQTEK EASY-V
Analisador automático de área de superfície e porosimetria CIQTEK BET A série CIQTEK EASY-V adota o princípio de teste de método de volume estático, com uma operação totalmente automatizada, interface de operação humanizada e fácil de aprender.
Referências:
[1] Wang P, Qi J, Chen X, et al. Matrizes tridimensionais heteroestruturadas de hidróxido duplo em camadas de NiCoP @ NiMn suportadas em espuma de Ni como um eletrocatalisador bifuncional para divisão geral da água [J]. Materiais e interfaces aplicados ACS, 2019, 12(4): 4385-4395.
[2] Huang H, Shi H, Das P, et al. A química e aplicações promissoras de grafeno e materiais porosos de grafeno[J]. Materiais Funcionais Avançados, 2020, 30(41): 1909035.
[5] Chen J, Mei Q, Chen Y, et al. Condução de prótons altamente eficiente no material de estrutura metal-orgânica MFM-300 (Cr)· SO4 (H3O) 2[J]. Jornal da Sociedade Química Americana, 2022, 144(27): 11969-11974.
[6] Liu, Yingdu, Guo, Hongxia, Ouyang, Xiaoping. Situação atual e perspectivas futuras do desenvolvimento da tecnologia de células de combustível de hidrogênio[J]. Ciência da Engenharia da China, 2021.
EASY-V 1440 é o instrumento de análise de área de superfície específica e tamanho de poros BET desenvolvido independentemente pela CIQTEK, usando o método volumétrico estático. ▪ Teste de área superficial específica, faixa 0,0005 (m 2 /g) e superior. ▪ Análise do tamanho dos poros: 2 nm-500 nm. ▪ Quatro estações de análise, testes simultâneos de 4 amostras. ▪ Equipado com bomba de vácuo de dois estágios.
Saber maisEASY-V 3440 é o instrumento de análise de área de superfície específica e tamanho de poros BET desenvolvido independentemente pela CIQTEK, usando o método volumétrico estático . ▪ Teste de área superficial específica, faixa 0,0005 (m 2 /g) e superior. ▪ Análise de tamanho de poros: 0,35 nm-2 nm (microporo), análise de distribuição de tamanho de microporos; 2 nm-500 nm (mesoporo ou macroporo). ▪ Quatro estações de análise, testes simultâneos de 4 amostras. ▪ Equipado com bomba molecular.
Saber maisOs analisadores de adsorção de gás de alta pressão e alta temperatura EASY-H 1210 e EASY-H 1420 são instrumentos de teste de isotermas de adsorção e dessorção de alto desempenho desenvolvidos independentemente pela CIQTEK, que adota o método volumétrico estático. A faixa de temperaturas e pressões isotérmicas pode ser testada para atender às necessidades de muitos campos de pesquisa. O produto tem uma função de teste de adsorção de alta temperatura e alta pressão e uma plataforma exclusiva de isoterma PCT e absorção de hidrogênio e pressão de dessorção, que pode ser amplamente utilizada na indústria de armazenamento de hidrogênio de materiais de liga de terras raras, gás de xisto e pesquisa de adsorção de metano em leito de carvão, exploração de petróleo e separação de gás e outros campos; também é importante para a compreensão do desempenho de adsorção de alguns materiais de adsorção, como catalisadores, peneiras moleculares e carvão ativado, a pesquisa de células de combustível, nanotubos de carbono e grafeno.
Saber maisOs analisadores de adsorção de gás de alta pressão e alta temperatura EASY-H 2210 e EASY-H 2420 são instrumentos de teste de isotermas de adsorção e dessorção de alto desempenho desenvolvidos independentemente pela CIQTEK, que adota o método volumétrico estático. Os analisadores de adsorção de gás de alta pressão e alta temperatura EASY-H 2210 e EASY-H 2420 são instrumentos de teste de isotermas de adsorção e dessorção de alto desempenho desenvolvidos independentemente pela CIQTEK, que adota o método volumétrico estático.
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