Producción de hidrógeno y caracterización de pilas de combustible de hidrógeno: aplicaciones de adsorción de gas
La energía del hidrógeno es la energía limpia que impulsa la transformación de la energía fósil tradicional a la energía verde. ¡Su densidad energética es 3 veces mayor que la del petróleo y 4,5 veces mayor que la del carbón! Es la dirección tecnológica disruptiva de la futura revolución energética. La pila de combustible de hidrógeno es el vehículo clave para convertir la energía del hidrógeno en energía eléctrica, y países de todo el mundo conceden gran importancia al desarrollo de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno. Esto ha planteado mayores requisitos en cuanto a materiales, tecnología de procesos y medios de caracterización de la cadena industrial de energía de hidrógeno y pilas de combustible de hidrógeno. La tecnología de adsorción de gas es uno de los métodos importantes para la caracterización de la superficie de materiales y desempeña un papel crucial en la utilización de la energía del hidrógeno, principalmente en pilas de combustible de hidrógeno.
Aplicación de la tecnología de adsorción de gas para la caracterización en la industria de producción de hidrógeno
Cómo producir hidrógeno es el primer paso para aprovechar la energía del hidrógeno. La producción de hidrógeno a partir de agua electrolítica con un alto grado de pureza, un gas con bajas impurezas y fácil de combinar con fuentes de energía renovables se considera el suministro de energía de hidrógeno verde más prometedor en el futuro [1].
Para mejorar la eficiencia de la producción de hidrógeno a partir de agua electrolítica, el desarrollo y utilización de catalizadores de electrodos HER de alto rendimiento es una forma comprobada.
Los materiales de carbono porosos representados por el grafeno tienen excelentes propiedades fisicoquímicas, como una rica estructura de poros, una gran superficie específica, alta conductividad eléctrica y buena estabilidad electroquímica, lo que brinda nuevas oportunidades para la construcción de sistemas catalíticos compuestos eficientes. La capacidad de precipitación de hidrógeno se mejora mediante la carga de cocatalizador o dopaje con heteroátomos [2].
Además, una gran cantidad de estudios han demostrado que la actividad catalítica de los catalizadores de electrodos HER depende en gran medida del número de sitios activos expuestos en sus superficies y cuantos más sitios activos estén expuestos, mejor será su rendimiento catalítico correspondiente. La mayor superficie específica del material de carbono poroso, cuando se utiliza como soporte, expondrá hasta cierto punto más sitios activos al material activo y acelerará la reacción de producción de hidrógeno.
Los siguientes son ejemplos de la caracterización de materiales de grafeno utilizando el analizador de tamaño de poro y superficie específico de la serie CIQTEK V-Sorb X800. En la Figura 1, se puede ver que la superficie del grafeno preparado mediante diferentes procesos tiene una gran diferencia de 516,7 m2/g y 88,64 m2/g, respectivamente. Los investigadores pueden utilizar los resultados de la prueba de superficie específica para juzgar la actividad catalítica básica, lo que puede proporcionar una referencia correspondiente para la preparación de catalizadores compuestos.
Fig. 1 Resultados de las pruebas de la superficie específica del grafeno sintetizado mediante diferentes procesos
Además, muchos investigadores han mejorado la actividad electrocatalítica de la producción de hidrógeno a partir de agua electrolítica combinando fosfuros de metales de transición, como el fosfuro de cobalto, con materiales de carbono con una alta superficie específica. Como se muestra en la Figura 2, al cargar fosfuro de cobalto sobre materiales de carbono porosos, se puede concluir que el área de superficie específica de los compuestos de fosfuro de carbono/cobalto es de hasta 195,44 m2/g según los resultados de la prueba BET. La alta área de superficie específica puede proporcionar más sitios activos en contacto con el electrolito y, al mismo tiempo, debido a la moderada adsorción de oxígeno/hidrógeno y la energía de disociación, exhibirá una excelente actividad electrocatalítica.
Fig. 2 Resultados de pruebas de área de superficie específica de compuestos de fosfuro de carbono/cobalto
Aplicación de la tecnología de adsorción de gases para la caracterización en la industria de pilas de combustible de hidrógeno.
La pila de combustible de hidrógeno es un dispositivo de generación de energía que utiliza hidrógeno como combustible y convierte la energía química del combustible directamente en electricidad mediante una reacción electroquímica, que tiene las ventajas de una alta eficiencia de conversión de energía, cero emisiones y ningún ruido.
La investigación actual en pilas de combustible de hidrógeno se centra en el ataque de tecnologías como las membranas de intercambio de protones, los electrocatalizadores y las placas bipolares. En una pila de combustible de hidrógeno, una membrana de intercambio de protones (PEM) ideal separa completamente la cámara llena de hidrógeno de la cámara de combustión llena de oxígeno, permitiendo que sólo los protones pasen a través de ellas. El aislamiento de la membrana de intercambio de protones de la pila de combustible de hidrógeno que se utiliza actualmente no es lo suficientemente bueno, lo que puede mezclar parcialmente el combustible de hidrógeno con el oxidante y, por tanto, perjudicar el rendimiento electroquímico de la pila de combustible de hidrógeno.
En los últimos años, ha recibido mucha atención el estudio de los PEM formados por el compuesto de MOF poroso y polímeros, en los que la estructura estructural de MOF puede modificarse mediante algunos compuestos que facilitan la conducción de protones, y luego los materiales formados a base de MOF se fabrican aún más. en membranas híbridas basadas en polímeros. La alta superficie específica de MOF también puede acomodar más portadores de protones, lo que brinda la oportunidad de aumentar la conductividad de protones de las membranas compuestas. Además, la rica estructura de poros del MOF facilita la construcción de redes de enlaces de hidrógeno en sus poros como una vía eficaz para el transporte de protones, lo que a su vez aumenta la movilidad de los protones activos [3].
La Figura 3 muestra un ejemplo de la caracterización de compuestos MOF utilizando el analizador de tamaño de poro y superficie específico de la serie V-Sorb X800 de desarrollo propio de GSI.
Fig. 3 (a) Resultados de la prueba BET; (b) Isoterma de adsorción-desorción de N2
La Figura 3(a) demuestra la BET de los compuestos MOF a 1242,58 m2/g. Las isotermas de adsorción-desorción de N2 de la Figura 3 (b) están cercanas a las isotermas de clase I, lo que indica una estructura microporosa más abundante. Combinada con el análisis del diagrama de distribución del tamaño de los poros, la Figura 4 (a) muestra que no hay una tendencia obvia de distribución concentrada en el diagrama de distribución del tamaño de los poros BJH, lo que indica que no hay una distribución del tamaño de los poros mesoporosos concentrados. En la Fig. 4 (b), la distribución del tamaño de poro del SF muestra que hay una distribución concentrada de microporos cerca de 0,57 nm, lo que indica que el tamaño de poro más disponible es 0,57 nm.
Fig. 4 (a) Distribución del tamaño de poros de adsorción BJH; (b) Distribución del tamaño de poros de adsorción de SF
Además, en la pila de pilas de combustible de hidrógeno, el proceso de reacción de oxidación de hidrógeno y reacción de reducción de oxígeno en el electrodo está controlado principalmente por el catalizador. El catalizador es el principal factor que afecta la polarización de activación de las pilas de combustible de hidrógeno y se considera un material clave para las pilas de combustible de hidrógeno, que determina el rendimiento general y la economía del uso de vehículos con pilas de combustible de hidrógeno [4]. El platino es uno de los catalizadores más utilizados para las pilas de combustible, pero su mayor coste limita su uso a gran escala. El mismo material de carbono poroso representado por el grafeno también se puede utilizar como portador de electrocatalizador para pilas de combustible de hidrógeno. Cargado con catalizadores sin platino en su superficie, su eficiencia catalítica para la producción de hidrógeno puede igualar o superar la de los catalizadores convencionales a base de platino, lo que ayuda a ampliar la aplicación de pilas de combustible de hidrógeno.
Analizador automático de porosimetría y área de superficie BET CIQTEK Serie CIQTEK EASY-V
Analizador automático de porosimetría y área de superficie BET CIQTEK La serie CIQTEK EASY-V adopta el principio de prueba del método de volumen estático, con una operación totalmente automatizada, una interfaz de operación humanizada y fácil de aprender.
Referencias:
[1] Wang P, Qi J, Chen X, et al. Matrices de hidróxido doble en capas de NiCoP @ NiMn heteroestructuradas tridimensionales soportadas sobre espuma de Ni como electrocatalizador bifuncional para la división general del agua [J]. Interfaces y materiales aplicados ACS, 2019, 12(4): 4385-4395.
[2] Huang H, Shi H, Das P, et al. La química y las aplicaciones prometedoras del grafeno y los materiales porosos de grafeno [J]. Materiales funcionales avanzados, 2020, 30(41): 1909035.
[5] Chen J, Mei Q, Chen Y, et al. Conducción de protones altamente eficiente en el material de estructura metal-orgánico MFM-300 (Cr)· SO4 (H3O) 2[J]. Revista de la Sociedad Química Estadounidense, 2022, 144(27): 11969-11974.
[6] Liu, Yingdu, Guo, Hongxia, Ouyang, Xiaoping. Estado actual y perspectivas futuras del desarrollo de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno [J]. Ciencias de la ingeniería de China, 2021.
EASY-V 1440 es el instrumento de análisis de tamaño de poro y área de superficie específica BET desarrollado independientemente por CIQTEK, utilizando el método volumétrico estático. ▪ Pruebas de área de superficie específica, rango de 0,0005 (m 2 /g) y superiores. ▪ Análisis del tamaño de poro: 2 nm-500 nm. ▪ Cuatro estaciones de análisis, ensayo simultáneo de 4 muestras. ▪ Equipado con bomba de vacío de dos etapas.
Aprende másEASY-V 3440 es el instrumento de análisis de tamaño de poro y área de superficie específica BET desarrollado de forma independiente por CIQTEK, utilizando el método volumétrico estático . ▪ Pruebas de área de superficie específica, rango de 0,0005 (m 2 /g) y superiores. ▪ Análisis del tamaño de los poros: 0,35 nm-2 nm (microporos), análisis de la distribución del tamaño de los microporos; 2 nm-500 nm (mesoporo o macroporo). ▪ Cuatro estaciones de análisis, ensayo simultáneo de 4 muestras. ▪ Equipado con bomba molecular.
Aprende másLos analizadores de adsorción de gas de alta presión y alta temperatura EASY-H 1210 y EASY-H 1420 son instrumentos de prueba de isotermas de adsorción y desorción de alto rendimiento desarrollados independientemente por CIQTEK, que adopta el método volumétrico estático. Se puede probar el rango de temperaturas y presiones isotérmicas para satisfacer las necesidades de muchos campos de investigación. El producto tiene una función de prueba de adsorción de alta temperatura y alta presión y una isoterma PCT única y una plataforma de presión de absorción y desorción de hidrógeno, que puede usarse ampliamente en la industria de almacenamiento de hidrógeno de materiales de aleación de tierras raras, gas de esquisto y investigación de adsorción de metano en capas de carbón. exploración de petróleo y separación de gas y otros campos; También es importante para comprender el rendimiento de adsorción de algunos materiales de adsorción, como catalizadores, tamices moleculares y carbón activado, la investigación de pilas de combustible, nanotubos de carbono y grafeno.
Aprende másLos analizadores de adsorción de gas de alta presión y alta temperatura EASY-H 2210 y EASY-H 2420 son instrumentos de prueba de isotermas de adsorción y desorción de alto rendimiento desarrollados independientemente por CIQTEK, que adopta el método volumétrico estático. Los analizadores de adsorción de gas de alta presión y alta temperatura EASY-H 2210 y EASY-H 2420 son instrumentos de prueba de isotermas de adsorción y desorción de alto rendimiento desarrollados independientemente por CIQTEK, que adopta el método volumétrico estático.
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