El efecto del disolvente en el autoensamblaje de iones: de la morfología molecular al rendimiento de la capa...

Área de la Ciencia:

• Electroquímica
• Ciencia de los materiales
• Ingeniería química

Sus antecedentes:

• La capa de ionómero unida al catalizador (CBIL) es crucial para el rendimiento de la pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC).
• Los ionómeros en los CBIL exhiben comportamientos de solvatación complejos y estructuras separadas en fases.
• Comprender los efectos del disolvente en la arquitectura del CBIL es clave para optimizar las propiedades del electrodo.

Objetivo del estudio:

• Elucidar cómo la composición y la polaridad del disolvente influyen en la solvatación del ionómero y la separación de fases dentro del CBIL.
• Investigar el impacto de estos cambios en la arquitectura del CBIL, las propiedades de la suspensión y el rendimiento del electrodo.
• Correlacionar las características del CBIL con el rendimiento de la polarización de la pila de combustible de membrana de intercambio de protones.

Principales métodos:

• Análisis de los diámetros de solvatación del ionómero y las estructuras separadas en fases bajo diversas condiciones de disolvente.
• Caracterización de la arquitectura del CBIL en agregados catalíticos y la heterogeneidad de la red de la suspensión.
• Medición de la distribución de poros en recubrimientos y el rendimiento de la polarización del electrodo.
• Mediciones del potencial zeta para evaluar las propiedades de la superficie y las interacciones inter-agregados.

Principales resultados:

• Los disolventes ricos en agua provocan el colapso morfológico del ionómero, la reducción de los volúmenes de exclusión y la extensión restringida del grupo -SO3H.
• Se observaron estructuras CBIL más densas con potenciales zeta altamente negativos (<-70 mV), lo que debilitó la fuerza de la red inter-agregados.
• El colapso de la cadena principal y el rizado de la cadena lateral redujeron el contenido de azufre en la superficie, mitigando el envenenamiento por platino.
• Los potenciales zeta elevados de CBIL mejoraron la repulsión inter-agregados, suprimiendo la sobre-agregación y mejorando el rendimiento de la polarización.

Conclusiones:

• La composición del disolvente regula críticamente la arquitectura y las propiedades del CBIL al controlar la solvatación del ionómero y la separación de fases.
• Las estructuras CBIL optimizadas, impulsadas por la elección del disolvente, mejoran significativamente el rendimiento de la polarización del electrodo PEMFC.
• Los hallazgos ofrecen una vía para mitigar el envenenamiento por platino y mejorar la durabilidad de la pila de combustible a través de un diseño de capa de ionómero a medida.