Eletrodo de difusão de gás - Gas diffusion electrode

Os eletrodos de difusão de gás ( GDE ) são eletrodos com uma conjunção de uma interface sólida, líquida e gasosa e um catalisador condutor elétrico que suporta uma reação eletroquímica entre a fase líquida e a fase gasosa.

Princípio

Os GDEs são usados ​​em células de combustível , onde oxigênio e hidrogênio reagem nos eletrodos de difusão de gás para formar água, enquanto convertem a energia da ligação química em energia elétrica . Normalmente o catalisador é fixado em uma folha porosa, para que o líquido e o gás possam interagir. Além dessas características de umedecimento , o eletrodo de difusão de gás deve, é claro, oferecer uma condutividade elétrica ideal , a fim de permitir um transporte de elétrons com baixa resistência ôhmica .

Um pré-requisito importante para a operação de eletrodos de difusão de gás é que tanto a fase líquida quanto a fase gasosa coexistam no sistema de poros dos eletrodos, o que pode ser demonstrado com a equação de Young-Laplace :

A pressão do gás p está em relação com o líquido no sistema de poros sobre o raio dos poros r, a tensão superficial γ do líquido e o ângulo de contato Θ. Esta equação deve ser tomada como um guia para determinação porque existem muitos parâmetros desconhecidos ou difíceis de alcançar. Quando a tensão superficial é considerada, a diferença na tensão superficial do sólido e do líquido deve ser levada em consideração. Mas a tensão superficial de catalisadores como platina sobre carbono ou prata é dificilmente mensurável. O ângulo de contato em uma superfície plana pode ser determinado com um microscópio . Um único poro, no entanto, não pode ser examinado, por isso é necessário determinar o sistema de poros de um eletrodo inteiro. Assim, a fim de criar uma área de eletrodo para líquido e gás, o caminho pode ser escolhido para criar diferentes raios de poro r, ou para criar diferentes ângulos de umedecimento Θ.

Eletrodo sinterizado

Eletrodo sinterizado

Nesta imagem de um eletrodo sinterizado pode-se ver que três tamanhos de grãos diferentes foram usados. As diferentes camadas eram:

  1. camada superior de material de granulação fina
  2. camada de grupos diferentes
  3. camada de distribuição de gás de material de granulação grossa

A maioria dos eletrodos fabricados de 1950 a 1970 com o método de sinterização destinava-se ao uso em células a combustível. Esse tipo de produção foi descartado por razões econômicas porque os eletrodos eram grossos e pesados, com espessura comum de 2 mm, enquanto as camadas individuais deviam ser muito finas e sem defeitos. O preço de venda era muito alto e os eletrodos não podiam ser produzidos continuamente.

Princípio da Operação

Princípio do eletrodo de difusão de gás

O princípio da difusão do gás é ilustrado neste diagrama. A chamada camada de distribuição de gás está localizada no meio do eletrodo. Com apenas uma pequena pressão de gás, o eletrólito é deslocado deste sistema de poros. Uma pequena resistência ao fluxo garante que o gás possa fluir livremente dentro do eletrodo. A uma pressão de gás ligeiramente mais alta, o eletrólito no sistema de poros fica restrito à camada de trabalho. A própria camada superficial tem poros tão finos que, mesmo quando a pressão atinge o pico, o gás não consegue fluir através do eletrodo para o eletrólito. Esses eletrodos foram produzidos por espalhamento e subsequente sinterização ou prensagem a quente . Para produzir eletrodos multicamadas, um material de granulação fina foi espalhado em um molde e alisado. Em seguida, os demais materiais foram aplicados em camadas múltiplas e colocados sob pressão. A produção não era apenas sujeita a erros, mas também demorada e difícil de automatizar.

Eletrodo colado

Imagem SEM do eletrodo de PTFE-prata

Desde cerca de 1970, os PTFEs são usados ​​para produzir um eletrodo com propriedades hidrofílicas e hidrofóbicas enquanto quimicamente estável e que pode ser usado como ligantes. Isso significa que, em locais com alta proporção de PTFE, nenhum eletrólito pode penetrar no sistema de poros e vice-versa. Nesse caso, o próprio catalisador deve ser não hidrofóbico.

Variações

Existem duas variações técnicas para produzir misturas de catalisador de PTFE:

  • Dispersão de água, PTFE, catalisador, emulsionantes, espessantes ...
  • Mistura seca de pó de PTFE e pó de catalisador

A rota de dispersão é escolhida principalmente para eletrodos com eletrólitos poliméricos , como introduzidos com sucesso na célula a combustível PEM e na eletrólise de membrana PEM ou HCL . Quando usado em eletrólito líquido , um processo seco é mais apropriado.

Além disso, na rota de dispersão (por evaporação da água e sinterização dos PTFEs a 340 ° C) a prensagem mecânica é ignorada e os eletrodos produzidos são muito porosos. Com métodos de secagem rápida, podem se formar rachaduras nos eletrodos, que podem ser penetradas pelo eletrólito líquido. Para aplicações com eletrólitos líquidos, como bateria de zinco-ar ou célula de combustível alcalina, é usado o método de mistura seca.

Catalisador

Em eletrólitos ácidos, os catalisadores são geralmente metais preciosos como platina , rutênio , irídio e ródio . Em eletrólitos alcalinos, como baterias de zinco-ar e células de combustível alcalinas , é comum usar catalisadores menos caros como carbono , manganês , prata , espuma de níquel ou malha de níquel .

Inscrição

Inicialmente, eletrodos sólidos foram usados ​​na célula de Grove , Francis Thomas Bacon foi o primeiro a usar eletrodos de difusão de gás para a célula de combustível Bacon , convertendo hidrogênio e oxigênio em alta temperatura em eletricidade. Ao longo dos anos, os eletrodos de difusão de gás foram adaptados para vários outros processos, como:

Nos últimos anos, o uso de eletrodos de difusão de gás para a redução eletroquímica do dióxido de carbono é um tópico de pesquisa em forte crescimento.

Produção

GDE é produzido em todos os níveis. Não é usado apenas para empresas de pesquisa e desenvolvimento, mas também para empresas maiores na produção de um Conjunto de Eletrodo de Membrana (MEA) que é, na maioria dos casos, usado em uma célula de combustível ou aparelho de bateria. As empresas que se especializam na produção de alto volume de GDE incluem Johnson Matthey, Gore e Gaskatel . No entanto, existem muitas empresas que produzem GDE personalizado ou em pequena quantidade, permitindo que diferentes formatos, catalisadores e carregamentos também sejam avaliados, que incluem FuelCellStore, FuelCellsEtc e muitos outros.

Veja também

Referências