Wat maakt formiazuur een veelbelovende brandstof voor brandstofcellen?

De toepassing van platina (Pt) in de anode van directe vloeistofbrandstofcellen (DFAFC’s) heeft significante vooruitgangen geboekt in de elektrochemische oxidatie van formiazuur. In een vroeg onderzoek door Weber et al. [21] werd aangetoond dat de elektrolytische activiteit van formiazuur hoger was dan die van methanol, wanneer gebruik werd gemaakt van Pt-black en Pt/Ru katalysatoren. De Pt/Ru-katalysator vertoonde een verhoogde activiteit bij de oxidatie van formiazuur in vergelijking met Pt-black. Deze bevindingen, hoewel veelbelovend, werden helaas niet verder opgevolgd, ondanks de voortdurende onderzoeken naar de fundamenten van formiazuuroxidatie [22]. Pas in 2002 werd opnieuw het potentieel van formiazuur als brandstof voor brandstofcellen onderzocht, met de conclusie dat formiazuur een veelbelovende kandidaat was voor compacte, draagbare toepassingen.

In een studie van Waszczuk et al. werd aangetoond dat palladium (Pd) en ruthenium (Ru) spontane interacties aangaan met platina, wat leidde tot een verhoogde katalytische activiteit. De activiteit werd het sterkst verhoogd wanneer palladium werd gebruikt om het platina-oppervlak te versieren. Verdere onderzoeken door Rice et al. bevestigden dat zowel Ru- als Pd-bevuilde platina-katalysatoren de prestaties van DFAFC’s verbeterden. Pt/Pd toonde met name verbeterde prestaties bij hogere spanningen, terwijl Pt/Ru de hoogste piekvermogen dichtheid vertoonde bij 70 mW cm−2, al werd dit waargenomen bij een opmerkelijk lage celspanning van 0,26 V. Het onderzoek benadrukte ook dat de snelheid van de elektrische stroom afnam afhankelijk van de gebruikte katalysator, waarbij Pt/Pd relatief stabiel bleef na een initiële snelle afname.

Choi et al. [26] onderzochten de levensvatbaarheid van een PtAu legering als anodekatalysator voor de oxidatie van formiazuur. In tegenstelling tot de meer gebruikelijke PtRu-katalysator, vertoonde de PtAu-katalysator een hogere activiteit en een langere stabiliteit, wat zijn potentieel voor langdurig gebruik benadrukte. De hypothese van de auteurs was dat de PtAu-katalysator formiazuur voornamelijk oxideert via het directe dehydrogeneringspad, wat resulteert in minder CO-adsorptie.

Bij het verder onderzoeken van bimetallische systemen zijn er talrijke interessante combinaties van platina met andere metalen zoals bismuth (Bi), lood (Pb), indium (In), tin (Sn), mangaan (Mn) en antimoon (Sb). Vooral de PtBi, PtBi2, PtPb en PtIn legeringen hebben zich als veelbelovend bewezen voor de oxidatie van formiazuur [27]. Het verbeteren van de activiteit van PtBi en PtPb katalysatoren heeft geleid tot uitgebreide studies naar oppervlaktebehandelingsmethoden. Een opmerkelijke ontdekking was dat het oppervlak van PtRu werd verbeterd door permanente Bi-atomen aan te brengen, wat de oxidatieactiviteit verhoogde door de vorming van CO te remmen.

Naast de technische verbeteringen in de katalysatoren, is het van belang om de stabiliteit en het langetermijngedrag van de brandstofcel zelf in overweging te nemen. De ontwikkeling van meer robuuste, langdurige katalysatoren zal de toepasbaarheid van formiazuur als een betrouwbare brandstof voor draagbare en compacte energiebronnen vergroten. In dit licht kunnen de geavanceerde metaalcombinaties en het gebruik van oppervlaktebehandelingsmethoden de sleutel zijn tot het realiseren van deze ambitie.

Hoe Directe Vloeibare Brandstofcellen de Toekomst van Duurzame Energie Vormgeven

Directe vloeibare brandstofcellen (DLFC’s) bieden veelbelovende mogelijkheden voor duurzame energieopwekking door hun vermogen om diverse vloeibare brandstoffen efficiënt om te zetten in elektriciteit. De technologie is veelbelovend door de verscheidenheid aan brandstoffen die het kan gebruiken, variërend van formic acid (mierenzuur) tot hydrazine en natriumborohydride. Het gebruik van formic acid als brandstof in directe formic acid brandstofcellen (DFAFC's) biedt verschillende voordelen, zoals een lage kruisbesmetting, eenvoudige hantering en hoge theoretische efficiëntie. De eenvoudige oxidatieroute, die minder chemische tussenproducten bevat dan bijvoorbeeld ethanol of methanol, maakt de efficiëntie van deze cellen aanzienlijk. Bovendien hebben DFAFC's lagere operationele kosten doordat ze over het algemeen werken bij lagere temperaturen, wat de materialenkosten verlaagt.

Natriumborohydride, daarentegen, biedt een hoge energiedichtheid en kan op locatie worden gehydrolyseerd om waterstof te produceren. Dit maakt het een geschikte brandstof voor toepassingen die aanzienlijke energiebehoeften hebben, maar het vereist zorgvuldige aanpassing van elektrolytsamenstellingen en elektrodematerialen om de problemen van parasitaire reacties en electrode-afbraak te verminderen. De voortgang op het gebied van materiaalkunde, vooral in de ontwikkeling van katalysatoren en membranen, is essentieel voor het verbeteren van de prestaties en levensduur van DLFC’s.

Bij de ontwikkeling van DLFC’s heeft methanol veel belangstelling getrokken, vooral in directe methanol brandstofcellen (DMFC’s). Methanol is goedkoop, heeft een hoge energiedichtheid en is relatief eenvoudig te vervoeren, wat het tot een geschikte brandstof maakt voor een breed scala aan toepassingen, van draagbare elektronische apparatuur tot grotere industriële toepassingen. Methanol vereist echter voorzichtigheid vanwege zijn giftigheid, en de ontwikkeling van verbeterde katalysatoren voor de anode is essentieel voor het optimaliseren van de prestaties van DMFC’s. Een van de meest gebruikte anodekatalysatoren is de PtRu-katalysator, een combinatie van platina en ruthenium, die de prestaties van DMFC’s aanzienlijk verbetert door hun uitstekende elektrochemische activiteit en hun vermogen om koolmonoxidevergiftiging te voorkomen.

Het onderzoek naar de verbetering van de PtRu-katalysatoren is al meer dan twee decennia gaande, met verschillende technieken voor het synthetiseren van deze katalysatoren, zoals de productie van PtRu-nanosponzen of de coating van koolstofdragers met poly(2,5-benzimidazool). Dit heeft geleid tot substantiële verbeteringen in de stroomdichtheid en de elektrochemische activiteit van de brandstofcellen. Deze voortdurende vooruitgang in materiaaltechnologie speelt een cruciale rol in het vergroten van de efficiëntie en duurzaamheid van DMFC’s en andere DLFC’s.

Hoewel de technologie van directe vloeibare brandstofcellen veelbelovend is, blijven er obstakels bestaan, vooral op het gebied van materiaalverwerking, katalysatorontwerpen en de lange termijn stabiliteit van de cellen. Het verbeteren van de reactiekinetiek, het verminderen van vergiftigingseffecten en het verlengen van de levensduur van de brandstofcellen zijn de belangrijkste doelen in de huidige onderzoeksinspanningen.

DLFC’s staan goed gepositioneerd om een cruciale rol te spelen in de verschuiving naar schonere en duurzamere energieoplossingen. Hun flexibiliteit in het gebruik van verschillende vloeibare brandstoffen, gekoppeld aan voortdurende verbeteringen in ontwerp en werking, maken ze tot een belangrijke technologie voor de toekomst van energieproductie. Van consumentenelektronica tot grootschalige industriële toepassingen, DLFC’s kunnen de manier waarop we energie genereren en gebruiken drastisch veranderen, mits de huidige technologische uitdagingen effectief worden overwonnen.

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen en mogelijkheden van directe vloeibare brandstofcellen (DLFC's)?

Directe vloeibare brandstofcellen (DLFC's) bieden een alternatieve benadering voor energieopwekking door vloeibare brandstoffen zoals methanol, ethanol of koolwaterstoffen direct te gebruiken, zonder de noodzaak voor de complexe en dure infrastructuur van waterstoflevering en -opslag die vereist is bij traditionele waterstofbrandstofcellen. Deze technologie heeft veelbelovende toepassingen, vooral in industriële processen waar mobiliteit en energieopslag cruciaal zijn. Het vermogen van DLFC's om vloeibare brandstoffen rechtstreeks om te zetten in elektriciteit, biedt een veel eenvoudiger systeem dan de traditionele brandstofceltechnologieën, waardoor ze aantrekkelijker kunnen zijn voor massale adoptie.

Ondanks de voordelen, staat de brede implementatie van DLFC's echter voor verschillende uitdagingen. Eén van de grootste obstakels is het verbeteren van de algehele efficiëntie van de DLFC's. Hoewel DLFC's een hogere energiedichtheid hebben dan traditionele batterijen, kunnen ze minder efficiënt zijn dan waterstofbrandstofcellen, wat hen op dit moment minder concurrerend maakt. Efficiëntieverbeteringen zijn dan ook cruciaal om deze technologie meer levensvatbaar te maken als een schone en duurzame energiebron.

Naast efficiëntie is de ontwikkeling van duurzame en betaalbare elektrode-materialen een andere grote uitdaging. De elektrochemische processen die plaatsvinden in DLFC's kunnen over de tijd leiden tot katalysatorvergiftiging en slijtage van de elektroden, wat de prestaties van de brandstofcel negatief beïnvloedt. Het vinden van robuuste materialen die bestand zijn tegen de zware operationele omstandigheden en die langdurige prestaties kunnen leveren, is van essentieel belang voor de verdere ontwikkeling van DLFC-technologie.

De infrastructuur voor de distributie en het bijvullen van vloeibare brandstoffen is ook een belangrijke uitdaging voor de grootschalige inzet van DLFC's. De meeste huidige tankinfrastructuur is gericht op traditionele verbrandingsmotoren, en het integreren van DLFC-tankstations in het bestaande netwerk zou aanzienlijke investeringen en zorgvuldige planning vereisen. Er moeten ook veiligheidsmaatregelen getroffen worden voor het hanteren en opslaan van vloeibare brandstoffen om ongelukken te voorkomen en de acceptatie van de technologie door het grote publiek te bevorderen.

In de context van gedistribueerde energieopwekking biedt de flexibiliteit van DLFC's extra voordelen. Deze brandstofcellen kunnen in afgelegen of off-grid gebieden een betrouwbare en efficiënte energiebron zijn, waardoor ze goed aansluiten bij systemen die gebruik maken van hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind. De mogelijkheid om vloeibare brandstoffen gemakkelijk op te slaan en te transporteren opent de deur naar de ontwikkeling van energiehubs die regionale gemeenschappen en bedrijven kunnen ondersteunen.

Daarnaast kunnen DLFC's een waardevolle rol spelen in de transportsector, bijvoorbeeld bij het aandrijven van onbemande luchtvoertuigen (UAV's) en elektrische voertuigen (EV's). De mogelijkheid van DLFC's om snel bij te tanken en een grotere actieradius te bieden, maakt ze bijzonder geschikt voor duurzame mobiliteit en luchtopdrachten. Door hun veelzijdigheid en potentieel om een breed scala aan industriële toepassingen te ondersteunen, hebben DLFC's de mogelijkheid om een belangrijke technologie te worden in de overgang naar een duurzamer energiesysteem.

De commerciële adoptie van DLFC's hangt echter sterk af van het oplossen van de technische en infrastructuurgerelateerde obstakels die momenteel de prestaties en het gebruik ervan beperken. Onderzoekers en industriële partners moeten zich blijven richten op het verbeteren van de efficiëntie, het ontwikkelen van duurzame materialen, en het creëren van veilige en betrouwbare distributie-infrastructuren. Alleen dan kunnen DLFC's daadwerkelijk concurreren met andere energiebronnen en hun volledige potentieel bereiken als schone, efficiënte, en duurzame energietechnologie.