Functional sample of large-area (5x5 cm2) thin-film catalyst coated membrane with fiber-like structure

Kód výsledku v IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F00216208%3A11320%2F20%3A10424033" target="_blank" >RIV/00216208:11320/20:10424033 - isvavai.cz</a>

Výsledek na webu

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

angličtina

Název v původním jazyce

Functional sample of large-area (5x5 cm2) thin-film catalyst coated membrane with fiber-like structure

Popis výsledku v původním jazyce

Sputter-etching modification of proton-exchange membrane leads to formation of fiber-like structure on its surface. This structure is consequently capable of carrying thin-film catalyst over its significantly enlarged surface without the need of any additional supporting nanoparticles. Catalyst coated membrane (CMM) prepared by this procedure performs comparably to standard commercial CCMs which however rely on 10times higher surface density of noble metals. In order to demonstrate the application potential of the sputter-etched CCM in kW-range electrolyzers, large-area (5x5 cm2) functional samples were prepared as a natural scale up of previously tested and proven lab-size samples. Complex optimization steps regarding the deposition geometry, pressure, power density etc. were carried out to obtain the same morphological and electrochemical characteristics over the much larger area. Functional samples were prepared within a single vacuum entry (simulating industrial preparation) during which the membrane underwent surface modification and also consequent catalyst deposition. Functional samples with 10times less noble metal loading performed similarly to standard commercial CCMs when used in kW-range water electrolyzer stack.

Název v anglickém jazyce

Functional sample of large-area (5x5 cm2) thin-film catalyst coated membrane with fiber-like structure

Popis výsledku anglicky

Sputter-etching modification of proton-exchange membrane leads to formation of fiber-like structure on its surface. This structure is consequently capable of carrying thin-film catalyst over its significantly enlarged surface without the need of any additional supporting nanoparticles. Catalyst coated membrane (CMM) prepared by this procedure performs comparably to standard commercial CCMs which however rely on 10times higher surface density of noble metals. In order to demonstrate the application potential of the sputter-etched CCM in kW-range electrolyzers, large-area (5x5 cm2) functional samples were prepared as a natural scale up of previously tested and proven lab-size samples. Complex optimization steps regarding the deposition geometry, pressure, power density etc. were carried out to obtain the same morphological and electrochemical characteristics over the much larger area. Functional samples were prepared within a single vacuum entry (simulating industrial preparation) during which the membrane underwent surface modification and also consequent catalyst deposition. Functional samples with 10times less noble metal loading performed similarly to standard commercial CCMs when used in kW-range water electrolyzer stack.

Druh

G_funk - Funkční vzorek

CEP obor

—

OECD FORD obor

10305 - Fluids and plasma physics (including surface physics)

Projekt

Výsledek vznikl pri realizaci vícero projektů. Více informací v záložce Projekty.

Návaznosti

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Rok uplatnění

2020

Kód důvěrnosti údajů

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů

Interní identifikační kód produktu

TP01010040-MFF-KFPP-01

Číselná identifikace

—

Technické parametry

Funkčné vzorky rozmerov mierne väčších ako 5x5cm2 boli pripravené metódou multiterčového magnetrónového naprašovania. Štandardná membrána typu Nafion NR 212 bola uchytená po obvode cylindrického držiaku. Ten bol vložený do depozičnej komory, kde rotoval okolo osi kolmej na osi magnetrónov. Prostredníctvom optimalizovaného reaktívneho naprašovania CeOx a súčasného leptania kyslíkovou plazmou vznikla na povrchu membrány vláknitá štruktúra. Optimálne parametre pre 4-palcový CeO2 terč boli určené nasledovne: vzdialenosť terč-vzorka 12 cm, rotačná perióda držiaku 20 s, medzný tlak 5 x 10-5 Pa, pracovný tlak 0.2 Pa pri pomere O2:Ar 1:65, RF výkon 65 W, čas depozície 180 min. V druhom kroku bola komora opätovne vyčerpaná do medzného tlaku 5 x 10-4 Pa a prebehla depozície 200 nm katalytickej vrstvy Ir-Ru v pomere 25:75. Naprašovanie prebehlo súčasne z 2-palcových Ir a Ru terčov (vzájomný uhol 60°) pri výkonoch 30 W a 75 W, vzdialenosť terče-vzorka 12 cm, rotačná perióda držiaku 20 s, pracovný tlak 0.5 Pa Ar, čas depozície 85 min. Vznikuté veľkoplošné katalyzátorom pokryté membrány vykazovali prúdové hustoty zhodné s laboratórnymi vzorkami (t.j. 1050 mA.cm-2 pri 1.7 V na celu, pri teplote 60 °C) a boli úspešne použité v stacku elektrolyzéru s kW výkonom.

Ekonomické parametry

Využitie modifikovanej membrány s vláknitou štruktúrou, pokrytou tenkovrstvovým katalyzátorom predstavuje veľkú úsporu drahých kovov. Kombinácia veľkej plochy membány a disperzie katalyzátoru s hrúbkou v ráde desiatok, maximálne stoviek nanometrov umožnuje dosahovať výkony typické pre membrány pokryté násobne väčším množstvom drahej platiny a irídia. Nami vyvinutý suchý proces prípravy katalyzátorom pokrytej membrány je v porovnaní s štandardnými mokrými postupmi výrazne rýchlejší, jednoduhší, čistejší, lacnejší a automatizovateľný. Funkčná vzorka dokazuje, že proces modifikácie membrány a depozície katalyzátoru je tiež škálovateľný do rozmerov typických pre zariadenia v ráde kW.

Kategorie aplik. výsledku dle nákladů

—

IČO vlastníka výsledku

00216208

Název vlastníka

Univerzita Karlova

Stát vlastníka

CZ - Česká republika

Druh možnosti využití

V - Výsledek je využíván vlastníkem

Požadavek na licenční poplatek

—

Adresa www stránky s výsledkem

—