Poszukiwanie zależności pomiędzy strukturą i aktywnością – badania eksperymentalne modelowych układów nanocząstek katalitycznych

W Laboratorium Badania Materiałów Politechniki Śląskiej realizowane są badania eksperymentalne modelowych układów nanocząstek katalitycznych. Jednym z głównych wyzwań stojących przed nauką jest odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie na energię. Najbardziej obiecująca i perspektywiczna strategia zakłada wykorzystanie energii słonecznej i wiatrowej, a następnie jej zamianę na energię elektryczną. Wygenerowana energia elektryczna może być wysyłana bezpośrednio do odbiorców lub magazynowana w postaci wiązań chemicznych, a następnie w razie potrzeby zamieniana na energię elektryczną. Procesy konwersji energii wymagają odpowiednich urządzeń elektrochemicznych i katalizatorów. W początkowych etapach opracowywania nowych materiałów do ogniw paliwowych nacisk położono na syntezę katalizatorów o największej aktywności. Choć wzrost aktywności katalitycznej pozostaje priorytetem (takie materiały są wymagane do powszechnej komercjalizacji PEMFC i PEMWE), to w ostatnich latach wzrasta znaczenie trwałości katalizatorów.

Ze względu na duże znaczenie społeczne i gospodarcze problemu deficytu energii, naukowcy podejmują szerokie i bardzo intensywne poszukiwania nowych katalizatorów, które następnie poddawane są ocenie, w tym ich trwałości. W ramach realizowanego projektu proponuje się inne rozwiązanie – stworzenie stosunkowo prostego i łatwego do badań modelowego układu nanocząstek Pt na nośniku węglowym oraz analizę jego zachowania, z wykorzystaniem zaawansowanych technik mikroskopii elektronowej, w warunkach zbliżonych do warunki pracy ogniwa paliwowego. Bezpośrednia obserwacja stworzy szansę na realizację głównego celu projektu – zdefiniowanie nowych zależności pomiędzy budową i działaniem układów katalitycznych, a następnie zaprojektowanie trwałych i wydajnych ogniw paliwowych. Projekt skupia się na wyjaśnieniu zmian w strukturze układu katalitycznego (nanocząstki platyny i nośnik na bazie węgla) podczas użytkowania, poprzez stworzenie warunków zbliżonych do warunków pracy ogniwa paliwowego. Obserwacje te powinny wyjaśnić, dlaczego aktywność katalizatora spada i co można zaproponować, aby zmniejszyć ten efekt. Dlatego w trakcie realizacji proponowanego projektu szczególny nacisk został położony na charakterystykę struktury, również na poziomie atomowym. Kompleksowo charakteryzowana jest struktura wytworzonych układów katalitycznych (XRD, RS, XPS, TEM, EELS), a następnie wykonywane są badania elektrochemiczne. Do analizy mechanizmu degradacji katalizatorów jest wykorzystywane monitorowanie ewolucji elektrokatalizatorów metodą IL-TEM oraz badania in-situ TEM w środowisku ciekłym. Uzupełniającym źródłem informacji jest pomiar ilości rozpuszczonej platyny techniką ICP-MS. W połączeniu z informacjami o stopniu degradacji nośnika węglowego uzyskanymi metodami spektroskopii Ramana i EELS, daje to obraz zmian w strukturze katalizatora wynikających z przeprowadzonych badań elektrochemicznych.

Projekt ,,Poszukiwanie zależności pomiędzy strukturą i aktywnością  – badania eksperymentalne modelowych układów nanocząstek katalitycznych” finansowany jest ze środków Narodowego Centrum Nauki (OPUS  17,  2019/33/B/ST5/02702).