Structura apei de la suprafața electrozilor influențează coroziunea carbonului
Cercetătorii de la Universitatea din Osaka, împreună cu colaboratori internaționali, au identificat un factor care influențează durabilitatea electrozilor din carbon: modul în care sunt aranjate moleculele de apă aflate în imediata vecinătate a suprafeței electrodului. Rezultatele, publicate în revista Angewandte Chemie International Edition, sugerează o nouă direcție pentru prelungirea duratei de viață a acestor componente.
Carbonul este ieftin, conductiv și utilizat pe scară largă în tehnologii precum pilele de combustie și electrolizoarele pentru apă. Totuși, în condiții puternic oxidante, electrozii din carbon se degradează treptat. Echipa de cercetare a urmărit simultan procesul de coroziune și starea apei de la interfață în timpul funcționării și a constatat că degradarea se accelerează pe măsură ce rețeaua de legături dintre moleculele de apă din apropiere devine mai dezorganizată.
Apa slab conectată, implicată preferențial în oxidare
Conform observațiilor, moleculele de apă slab conectate par să fie implicate cu prioritate în oxidarea carbonului la dioxid de carbon, iar perturbarea deliberată a rețelei a sporit suplimentar coroziunea. În loc să modifice carbonul în sine, cercetătorii au ales să schimbe mediul imediat din jurul electrodului, folosind diferiți polimeri conductori de ioni, cunoscuți sub numele de ionomeri, pentru a reorganiza apa de la suprafață.
Ionomerul Sustainion a creat o rețea de apă mai puternic conectată decât Nafion, utilizat frecvent, și a redus coroziunea carbonului cu aproximativ 51%. Echipa a testat apoi conceptul într-un sistem de producere a clorului, cu un catalizator din platină susținut pe carbon. Deși Sustainion a îmbunătățit durabilitatea, a redus inițial activitatea catalitică. Prin combinarea Sustainion cu Nafion, cercetătorii au menținut o activitate inițială ridicată și au limitat pierderea de performanță la 19% după 500 de cicluri.
Proiectarea mediului din jurul electrodului
„Electrozii sunt adesea considerați principalii actori în reacțiile electrochimice, dar apa care îi înconjoară este de asemenea importantă”, a declarat dr. Yu Katayama, unul dintre autorii corespondenți de la Universitatea din Osaka. „Rezultatele noastre arată că proiectarea mediului din jurul unui electrod, nu doar a materialului electrodului în sine, ar putea contribui la îmbunătățirea durabilității acestuia.”
Concluziile evidențiază controlul apei de la interfață ca principiu de proiectare promițător pentru electrozii din carbon și ar putea contribui la tehnologii electrochimice mai durabile, inclusiv producția de hidrogen verde, fabricarea clorului și pilele de combustie.
