De toepassing van PtCo3 CNT’s in directe methanolbrandstofcellen (DMFC’s) heeft de laatste jaren opmerkelijke vooruitgangen geboekt. Door de unieke structuur van koolstofnanbuizen en de goed afgestelde verhouding van actieve sites, vertonen PtCo3 CNT’s de hoogste katalytische activiteit voor methanolverbranding (MOR) onder alle PtCox CNT’s die zijn bestudeerd. Dit type katalysator is aanzienlijk effectiever dan commercieel beschikbare Pt/C, met een specifieke activiteit die 4,4 keer hoger ligt en een massa-activiteit die 7,7 keer groter is. De stabiliteit van deze katalysatoren wordt verder verbeterd door het toevoegen van extra kobalt (Co), waarbij electrochemische tests aantonen dat de katalytische activiteit van PtCo3 CNT’s vrijwel constant blijft, zelfs na 1.500 cycli. In prototype DMFC’s leveren PtCo3 CNT’s de hoogste stroom- en vermogensdichtheden van alle onderzochte katalysatoren.

Een belangrijke ontwikkeling op het gebied van DMFC’s betreft het verbeteren van de elektrochemische activiteit van de kathode. Een mogelijke oplossing ligt in de legering van platina met andere metalen, zoals ijzer, wat de kosten van de katalysator verlaagt en tegelijkertijd de prestaties verbetert. De legering van platina met metalen zoals ijzer en kobalt creëert katalysatoren die de adsorptie van reactie-intermediairen verbeteren en de interactie van platina met deze intermediairen optimaliseren, dankzij effecten als de spannings- en ligand-effecten. Compressie van het oppervlak veroorzaakt een verschuiving van het d-band centrum, waardoor een verbeterde efficiëntie ontstaat doordat de binding van de intermediairen wordt verzwakt. Dit effect leidt tot een verminderde katalytische deactivering bij langere gebruiksperioden. Daarbij komt dat de kosten van platina een belangrijk obstakel blijven voor de commerciële opschaling van DMFC’s, wat de zoektocht naar goedkopere, maar even effectieve metalen zoals ijzer essentieel maakt.

Methanoloverlap (methanol crossover) is een belangrijk probleem in DMFC’s, waarbij methanol door de membraan van de anode naar de kathode kan migreren, wat leidt tot verlies van efficiëntie en schade aan de katalysator van de kathode. De ontwikkeling van een kathodekatalysator met een koolstofomhulling die methanol voorkomt om de platinumkern te bereiken, biedt een oplossing voor dit probleem. Koolstofnanofibers die zijn bedekt met een Pt-anilinecomplex en daarna verhit, vormen een katalysator die, afhankelijk van de graad van grafitisering van de koolstofomhulling, methanol blokkeren en tegelijkertijd zuurstof (O2) doorlaten voor de zuurstofreductiereactie (ORR) aan de kathode. Dit heeft geleid tot betere prestaties en stabiliteit in tests met enkele cellen in verschillende omstandigheden, vergeleken met traditionele Pt/C-katalysatoren.

In DMFC’s speelt de efficiëntie van de ORR aan de kathode een cruciale rol. Recent onderzoek heeft aangetoond dat het combineren van metaal-nitride-katalysatoren zoals Fe-N-C en Cu-N-C de methanolverdragelijkheid van Pt/C aanzienlijk verbetert. In experimenten met hybride kathodelaag-katalysatoren, zoals die bestaande uit een fysieke mengsel van Pt/C en Fe-N-C of Cu-N-C, vertoonden de DMFC’s met Cu-N-C hybride lagen de hoogste piekvermogensdichtheid, boven de 31 mW cm−2 bij een methanolconcentratie van 10 M. Dit stelt een veelbelovende methode voor om DMFC’s met een hoge energiedichtheid te vervaardigen, wat toepassingen voor draagbare stroomvoorzieningen mogelijk maakt.

Naast de katalysatoren speelt het elektrolyt in een DMFC een fundamentele rol. Het elektrolyt, meestal een protongeleidend membraan, heeft de taak om ionen van de anode naar de kathode te transporteren, maar ook om de elektrode van elkaar te scheiden, de stabiliteit van de cel te waarborgen en de energieopbrengst te optimaliseren. Nafion, een perfluorosulfonzuurpolymeer, wordt vaak gebruikt vanwege zijn hoge iongeleiding en thermische stabiliteit. Toch brengen de kosten en de nadelen van Nafion, zoals de verhoogde methanolkruising bij hoge temperaturen, de noodzaak met zich mee om alternatieve membranen te onderzoeken. Nieuwe materialen zoals chitosaan, sulfonated polyetheretherketone (SPEEK) en polybenzimidazool (PBI) bieden veelbelovende mogelijkheden. Deze materialen worden onderzocht om de operationele kosten te verlagen, de methanoloverlap te verminderen en de prestaties van de brandstofcel bij hogere temperaturen te verbeteren.

De zoektocht naar betere materialen en combinaties van katalysatoren en membranen is dus van essentieel belang voor de verdere ontwikkeling van DMFC’s. In veel gevallen wordt er gefocust op het verbeteren van de prestaties onder realistische operationele omstandigheden, waarbij zowel de stabiliteit van de katalysatoren als de efficiëntie van de elektrolyten een sleutelrol spelen. Het combineren van verschillende technologieën kan een aanzienlijke impact hebben op de commerciële haalbaarheid van DMFC’s, wat hen een belangrijke optie maakt voor draagbare energiebronnen in de toekomst.

Hoe kan de efficiëntie van Directe Metanolbrandstofcellen (DMFC) worden verbeterd?

In Directe Metanolbrandstofcellen (DMFC) is methanol een belangrijke energiebron, maar het maakt ook dat er veel energie verloren gaat door methanolcrossover en de onomkeerbaarheid van elektrodereductiereacties. Hoewel 70% van de chemische energie in methanol verloren gaat in de vorm van warmte, is er slechts 30% beschikbaar als nuttige elektrische energie. Het verminderen van methanolcrossover kan worden bereikt door methanol te verdunnen, maar dit brengt een probleem met zich mee: de vermindering van de concentratie vereist een grotere celstapel om de gewenste prestatie te behouden. Dit maakt de voorspelling van het stroomverbruik bij de toename van de celgrootte van cruciaal belang, vooral voor draagbare elektronische apparaten.

Naast de verliezen veroorzaakt door methanolcrossover, wordt de kinetiek van de zuurstofreductie in de DMFC beïnvloed door de aanwezigheid van methanol. Het mechanisme van deze invloed, dat de reactiesnelheid vermindert, is nog niet volledig begrepen. Het verhogen van de hoeveelheid platina-rutheniumkatalysator heeft een negatieve invloed op de kosten, maar het kiezen van geschikte membranen en zuurstoftolerante kathodes kan de reactiesnelheid verminderen. In de meeste gevallen leidt brandstofcrossover tot een lagere brandstofverbruik, vermindert het de activiteit van de kathode, produceert het overtollige warmte en beïnvloedt het de potentiaal van de cel, waardoor de algehele prestaties verminderen. De belangrijkste factoren die brandstofcrossover veroorzaken zijn operationele omstandigheden zoals temperatuur, druk en debiet. Onderzoek moet zich richten op het vinden van de optimale DMFC-concentraties om de beste resultaten te behalen.

De verliezen in vermogen door methanolcrossover, warmteverspreiding en onomkeerbare elektrodereductiereacties zorgen voor een afname van de systeemefficiëntie met ongeveer 30% in het DMFC-systeem. De afname van de kathodereactie wordt veroorzaakt door de hoge methanolcrossover, wat op zijn beurt de effectiviteit van het kathodereductieproces vermindert. Dit vereist verbeterde membranen en katalysatoren, die echter vaak duur zijn. De efficiëntie van het systeem kan worden gemaximaliseerd door de brandstofpermeabiliteit te verminderen. De meeste types DLFC proberen de problemen van brandstofcrossover aan te pakken, wat een aanzienlijke invloed heeft op de algehele prestaties. Lage brandstofconcentratie en membraanpermeabiliteit zijn twee kwesties die meerdere pogingen tot verbetering hebben gestimuleerd. Niettemin veroorzaakt de lage brandstofconcentratie een andere consequentie: de prestaties van de DMFC nemen af naarmate er minder brandstofmoleculen beschikbaar zijn voor oxidatie.

Nieuw onderzoek presenteert nanocomposietpolymeermembranen voor DMFC’s die oppervlakte-gemodificeerde sepioliet (MS) integreren in een PVDF-g-PS copolymeer als het PEM (protonuitwisselingsmembraan). Verschillende methoden worden gebruikt om de effecten van chemische modificatie van het oppervlak van sepioliet met vinyltriëthoxysilaan te onderzoeken. Actieve SO3H-groepen op het oppervlak van de nanocomposiet PVDF-g-PS/MS membranen worden gecreëerd door de fase-inversiemethode en vervolgens behandeld met chlorosulfonzuur. De fysisch-chemische eigenschappen die worden onderzocht in de geproduceerde nanocomposietmembranen (S-PPMS) omvatten het waterabsorptiepercentage, de kationenuitwisselingscapaciteit, protongeleiding (σ) en methanolpermeabiliteit. Door de functionele -SO3H-groepen en goed verdeelde MS wordt de protongeleiding van de S-PPMS-membranen verbeterd. Bij 110°C behaalt de S-PPMS10 een piekvermogen van 210 mW cm−2, wat de output van Nafion-117 overtreft. Deze bemoedigende bevindingen tonen aan dat de ontwikkelde nanocomposiet PEM’s veelbelovend zijn voor DMFC-toepassingen.

Een andere manier om brandstofcrossover te verminderen, is door betere katalysatoren te maken. Om brandstofverlies en overpotentiaal te voorkomen, vertonen deze katalysatoren inert eigenschappen voor elke reactie die niet zou moeten plaatsvinden bij de kathode, wat de algehele efficiëntie van het systeem verbetert. De inertheid van de katalysator aan de kathode zorgt ervoor dat de reductie ongehinderd kan doorgaan. De efficiëntie aan de kathodezijde en de uitstekende inertie ten opzichte van brandstofoxidatie van op overgangsmetalen gebaseerde katalysatoren maken ze een mogelijke vervanger voor platina. Een nadeel van niet-platina katalysatoren is hun lage ORR (zuurstofreductie reactie) activiteit, waardoor het nodig is om toevoegingen of ondersteunende materialen te gebruiken om hun effectiviteit te verbeteren. Ondersteunende materialen verbeteren de ORR-prestaties door hun grote oppervlak, wat het aantal reactieve sites van de katalysator vergroot.

De kathodezijde van DMFC-apparaten wordt behandeld met zuurstofgas, een oxidatiemiddel. Onderzoekers beschouwen ook waterstofperoxide als oxidatiemiddel, omdat het efficiënter is dan zuurstof vanwege de snellere reactiesnelheid. Aan de andere kant kunnen afbraakproblemen betekenen dat waterstofperoxide niet kan functioneren in elektronensystemen die zijn gebaseerd op Pt, Pd of Au. Water is het bijproduct van de kathodereductie, ongeacht het gebruikte oxidatiemiddel. Kathodevervloeding en een afname van de elektroreductieactiviteit zijn het gevolg van een teveel aan water, wat enkele van de reactieve sites van de katalysator blokkeert en de prestaties in het algemeen verlaagt. Een benadering van dit probleem is het transformeren van de GDL (gasdiffusielagen) in een waterfilter door gebruik te maken van hydrofobe filters. Deze hydrofobe laag optimaliseert het waterbeheer en verhoogt de efficiëntie van het DMFC-systeem door te fungeren als een waterdichte laag aan de kathodezijde.

Zorgen over de stabiliteit van de cel tijdens langdurige werking hebben de commercialisatie van DMFC’s vertraagd. Aangezien DMFC’s vergiftigd worden door de tussenproducten die ontstaan wanneer methanol wordt geoxideerd naar MEA (methylalcohol), is de kans groot dat hun afbraaksnelheden significant zijn. Uit onderzoek van Cheng et al. bleek dat de prestaties van de cel aanzienlijk afnamen na 200 uur werking en verslechterden na 1.002 uur. De oorspronkelijke prestaties van DMFC’s konden niet worden hersteld wanneer deze in verschillende mate waren afgenomen, volgens Wang et al. De prestaties van de PtRu black-katalysator kunnen gedeeltelijk zijn afgenomen door de oplosbaarheid van Ru-metaal van anodische katalysatoroppervlakken. Soortgelijke bevindingen werden gerapporteerd door Sarma et al., die ontdekten dat na 600 uur de membranen die aan de kathode waren blootgesteld, meer vergingen dan die aan de anode, vanwege de oplosbaarheid van Ru-metaal. De algehele prestaties van de katalysator worden beïnvloed door ruthenium, dat, eenmaal op de kathode afgezet, de zuurstofreductiesnelheid hindert en de capaciteit van de katalysator om methanolcrossover te tolereren vermindert. Het vinden van een betere DMFC-katalysator, zoals een binaire of terniaire katalysator, is noodzakelijk om dit probleem aan te pakken.

Oorspronkelijk ontwikkeld voor PEMFC's, is DuPont's Nafion nu de de facto standaard voor DMFC-membranen. Met zijn uitstekende ionische geleidbaarheid en chemische stabiliteit is het Nafion-membraan relatief duurzaam, met een ongeëvenaarde levensduur van meer dan 60.000 uur in PEMFC's. Niettemin functioneren Nafion-membranen niet goed in DMFC's vanwege verschillende nadelen, zoals een hoge methanol- en rutheniumcrossover (in PtRu-anodes), een hoge prijs ($600–$1.200 per m²), een lage temperatuurbereik (<80°C) en overmatige bevochtiging. Al deze factoren wijzen erop dat DMFC's verbeterde membranen nodig hebben. Lagere kosten, een breder temperatuurbereik (80–180°C), betere ionische geleidbaarheid en minder methanol- en rutheniumcrossover zijn enkele van de voordelen die voor samengestelde fluorgebaseerde en niet-fluorige (hydrocarbonaat) DMFC-membranen zijn geïdentificeerd in vergelijking met Nafion-membranen. Terwijl zure-basiscomposieten (bijv. polyaryl) en anorganische chemicaliën (SiO2, silanen, Zr, enz.) de Nafion-gebaseerde membranen verbeteren, verlagen ze niet de kosten. Voor DMFC's overtreffen hydrocarbonmembranen Nafion-membranen op het gebied van kosten en technische effectiviteit. Naast verbeterde stabiliteit en geleidbaarheid vertonen ze een verminderde methanolcrossover.

De duurzaamheid van een systeem is een van de belangrijkste prestatiekenmerken voor de effectieve commercialisatie van technologieën zoals DMFC. Het is essentieel om te bevestigen dat het systeem gedurende een lange periode zonder prestatieverlies kan blijven werken. De prestaties

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen en toekomstige mogelijkheden voor Directe Vloeibare Brandstofcellen?

In de wereld van directe vloeibare brandstofcellen (DLFC’s) wordt veel nadruk gelegd op de ontwikkeling van katalysatoren die efficiënter zijn en minder kostbaar. Bij experimenten waarbij koolstofnanovezelmaterialen, mesoporositeit van koolstof, koolstofnanobuizen, fullerene, grafeen en gefunctionaliseerd grafeen werden toegevoegd aan de systemen, werd duidelijk dat deze toevoegingen de katalytische prestaties aanzienlijk konden verbeteren. Zainoodin et al. [17] voerden bijvoorbeeld vergelijkende tests uit op koolstofnanovezels en traditionele koolstofzwart, met als resultaat respectievelijk 18,3 en 12,6 mW cm−2 bij gelijke belasting van de PtRu- en Pt-katalysatoren aan beide elektroden (8 mg cm−2). De inzet van koolstofnanovezels bleek de katalytische reactieverefficiëntie te verhogen in vergelijking met koolstofzwart, wat het mogelijk maakt de prestaties van DLFC’s te verbeteren door de benodigde hoeveelheid katalysator te verminderen. Dit kan de totale kosten verlagen, een belangrijke overweging in de richting van commerciële haalbaarheid.

De structuur van de elektrode speelt eveneens een essentiële rol in de prestaties van de brandstofcel. Almheiri et al. [18] toonden aan dat een PtRu-katalysator met een belasting van 4 mg cm−2 een maximale vermogensdichtheid van 104 mW cm−2 behaalde in een actief DMFC-systeem, wat aantoonde dat actieve systemen beter presteren dan passieve systemen. Liu et al. [19] gaven aan dat het gebruik van ultrasone spuittechnieken om de porositeit van de katalysator te veranderen de prestaties van de DLFC aanzienlijk verbeterde, zelfs bij gelijke katalysatorbelasting. Dit bevestigt de potentie van innovatieve fabricageprocessen voor het verbeteren van de efficiëntie van de brandstofcel, wat de focus moet zijn voor verdere vooruitgang op dit gebied.

Hoewel aanzienlijke vooruitgangen zijn geboekt in het verlagen van de katalysatorbelasting en het verbeteren van de efficiëntie, blijft dit een fundamenteel probleem voor DLFC's. De kosten die gepaard gaan met het ontwikkelen van systemen die zowel kosteneffectief als efficiënt zijn, blijven een obstakel voor grootschalige commerciële toepassingen. De kosten van de DMFC-architectuur, voornamelijk door het gebruik van dure metalen zoals platina en ruthenium, vormen een belangrijke belemmering voor de bredere verspreiding van deze technologie. Onderzoek richt zich dan ook op het verlagen van de kosten van de brandstofcellen door het ontwikkelen van goedkopere membranen en alternatieve katalysatoren die minder of geen edelmetalen bevatten [20,21].

De productie van DMFC’s vereist aanzienlijke investeringen, vooral gezien de kostbare materialen die worden gebruikt. In 2007 werd gemeld dat de kosten voor het vervaardigen van een 20 W DMFC voor draagbare computers maar liefst 333 dollar waren, wat tien keer duurder was dan het maken van een Li-ion batterij met vergelijkbare capaciteit. Om deze kosten te verlagen, richt onderzoek zich op het ontwikkelen van betaalbare en efficiënte productieprocessen voor de balans van het systeem (BOP) en brandstofcelstacks, evenals het verbeteren van de massaproductietechnieken. Initiatieven zoals de DURAMET FP7-projecten hebben belangrijke vorderingen geboekt, waaronder de productie van kosteneffectieve katalysatoren en membranen met verlaagde methanoldoorlaatbaarheid [22].

De kostprijs is dus onlosmakelijk verbonden met de haalbaarheid van DLFC-technologie op grote schaal. Hoewel vooruitgang wordt geboekt, is de volledige industrialisatie van deze brandstofceltechnologie essentieel om een economische doorbraak te realiseren. De kosten van de afzonderlijke componenten, zoals membranen, edelmetaalkatalysatoren, elektroden en andere onderdelen, zijn de belangrijkste kostenfactoren. Dit wordt versterkt door de behoefte aan grootschalige productiecapaciteit, wat de competitiviteit in de markt aanzienlijk kan verbeteren [23].

Ten slotte is de langetermijnbestendigheid van een essentieel belang voor de levensduur en betrouwbaarheid van DLFC’s. De prestaties van de brandstofcel gaan achteruit door de degradatie van de katalysatoren, vooral de PtRu-katalysatoren, die in veel systemen worden gebruikt. De afbraak van de katalysator door de migratie van ruthenium naar de elektrolyt en de kathode kan de zuurstofreductie bemoeilijken, wat leidt tot een vermindering van de algehele efficiëntie van het systeem. Dit fenomeen kan leiden tot instabiliteit door samenklontering van de katalysatoren, veranderingen in de porositeit van de elektroden en de afbraak van het membraan. Om de systeemprestaties op peil te houden, moeten deze degradatieprocessen verder worden bestudeerd en verbeterd.

Voor de commerciële toepassing van DLFC’s zijn duurzaamheid en lange levensduur de sleutel tot succes. Het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) heeft ambitieuze doelen gesteld voor de levensduur van brandstofcelsystemen, met 8.000 uur voor lichte voertuigen, 30.000 uur voor zware voertuigen en 80.000 uur voor gedistribueerde energiesystemen. Het verder ontwikkelen van materialen en technologieën om de degradatie van brandstofcellen te verminderen, is van cruciaal belang om aan deze lange levensduurvereisten te voldoen en de operationele stabiliteit in dynamische en uitdagende omgevingen te waarborgen.

Hoe verhoudt Bitcoin zich tot het falen van het traditionele financiële systeem en welke lessen biedt het?
Hoe Donald Trump Het Politieke Merkenbouwprincipe Toepaste in Zijn Campagnes
Hoe bepalen we de warmteoverdracht in het koken van verdunde emulsies?
Wat veroorzaakte de financiële paniek van 1907 en hoe leidde dit tot de oprichting van de Federal Reserve?
Welke ingrediënten kunnen het hele jaar door worden gebruikt voor het koken met de seizoenen?
Wat Is Er Nog Over Voor De Oude Verbindingen In Een Huwelijk?