Saotharlann Taighde Lárnach Toyota: Comhdhéanamh tuaslagóra a théann i bhfeidhm go mór ar an struchtúr comhiomlán i sciodar catalaíoch

Bíonn tionchar suntasach ag comhdhéanamh tuaslagóra an sciolla chatalaíoch ar struchtúr pore an chiseal catalaíoch agus ar a éifeachtúlacht táirgthe scála. Bíonn tionchar ag go leor fachtóirí ar struchtúr pore an chiseal chatalaíoch, amhail airíonna ábhartha agus paraiméadair phróisis. Is é an cóimheas asaithe ionomer an príomhfhachtóir is mó atá i gceannas ar an struchtúr comhiomlán sa sciodar. Roinneann an t -airteagal seo taighde Toyota Central Research Laboratory ar thionchar comhdhéanamh tuaslagóra ar na hairíonna réolaíocha, ar ráta asaithe ianúcháin agus ar thréithe struchtúracha na gcomhiomlán i sciodar catalaíoch.

01

Cúlra teicniúil

An ciseal catalaíoch decealla breosla na ngluaisteánIs éard atá ann ná cáithníní catalaíocha agus iatáin a fhaigheann tacaíocht ó charbón a aistríonn prótóin. Tá tionchar mór ag struchtúr scagach an chiseal chatalaíoch ar éifeachtúlacht tiontaithe fuinnimh na cille breosla. Sa leictreoid phóiriúil, déantar leictreoin sa chatalaíoch Pt/c, déantar prótóin sa ianmer, agus déantar móilíní ocsaigine a idirleathadh agus a threá sna pores agus san ian. Gineann na trí shubstaint uisce trí imoibriú ORR ar dhromchla an chatalaíoch PT. D'fhonn éifeachtúlacht tiontaithe fuinnimh na cille breosla a uasmhéadú, is gá suíomh agus struchtúr na gcáithníní PT/C agus na n-ianóirí a rialáil chun an comhéadan trí chéim a bharrfheabhsú.

I dtáirgeadh mórscála, mar gheall ar an éifeachtúlacht ard-táirgthe, is iondúil go mbíonn an ciseal catalaíoch brataithe le próiseas sciath scoilt. Is modh sciath ardchruinnithe é an modh sciath scoilt. Tá an sciodar sciath brúite ón bhfeiste stórála go dtí an nozzle tríd an bpíblíne soláthair, agus déantar an sciodar a spraeáil ón bhfuinneog chun aistriú chuig an tsubstráit brataithe. Sa mhodh sciath scoilt, brúitear an sciodar catalaíoch atá comhdhéanta de cháithníní Pt/C, ianda agus tuaslagóir alcóil uisce ón bhfeiste stórála go dtí an nozzle tríd an bpíblíne soláthair, agus déantar an sciodar a spraeáil ón bhfógra le haistriú chuig an bhfoshraith brataithe. Tar éis an sciodar catalaíoch a thriomú, aistrítear an ciseal catalaíoch póiriúil chuig an membrane malartaithe prótóin trí bhrú te (mar shampla an modh aistrithe don chiseal catalaíoch catóid de chill bhreosla Mirai an dara glúin Toyota). Bíonn tionchar ag go leor fachtóirí ar struchtúr an chiseal catalaíoch a ullmhaíonn an próiseas thuas, lena n -áirítear airíonna ábhartha, amhail cineál agus staid scaipthe iompróra carbóin, platanam, agus ionomer; Paraiméadair phróisis sa phróiseas ullmhúcháin sciodair catalaíoch, amhail comhdhéanamh tuaslagóra, cóimheas I/C, modh teochta agus scaipthe. Ina measc, bíonn tionchar suntasach ag comhdhéanamh an tuaslagóra ar fheidhmíocht an chiseal chatalaíoch.

Léirigh na staidéir atá ann cheana go bhfuil comhiomláin dochta sa chiseal catalaíoch, le raon méide de 100-300 nm, comhdhéanta den chuid is mó de cháithníní catalaíocha PT/C de 20-40 nm i méid. Ag brath ar ábhar agus ar chomhdhéanamh na n-ianda, déanann na comhiomláin seo níos mó ceirtleáin chun comhiomláin a fhoirmiú de 1-10 μm i méid. D'fhonn tuiscint níos fearr a fháil ar an tionchar a bhíonn ag comhdhéanamh tuaslagóra ar fheidhmíocht, is gá a shoiléiriú conas a théann comhdhéanamh an tuaslagóra i bhfeidhm ar struchtúr na gcomhiomlán cáithníní PT/C (cruthaíonn na comhiomláin príomhchreat na ciseal catalaíoch) sa sciorradh catalaíoch. Tugann an t -alt seo an staidéar ar an éifeacht a bhíonn ag comhdhéanamh tuaslagóra ar thréithe struchtúracha na gcomhiomlán sa sciodar catalaíoch a rinne Toyota Central Research Laboratory.

02

Ullmhúchán taighde

Is é an comhdhéanamh tuaslagóra a úsáidtear sa staidéar ná eatánól, 1-propanol, agus alcól diacetone. Is féidir an polaraíocht tuaslagóra a rialú thar raon mór trí na trí chomhdhéanamh tuaslagóra, agus is é Hansen intuaslagthacht an polaraíocht tuaslagóra. De réir mar a mhéadaíonn an polaraíocht, déanann an tuaslagóir Polar an príomhshlabhra d'iompar uisce san ianmer a mhacasamhlú, agus mar thoradh air sin déantar an t -ianmer a asú ar an dromchla carbóin, agus an cóimheas asaithe ianmer γ (an cóimheas idir an ian -ian atá á h -asaithe ar chatalaíoch Pt/C ar an ianmer iomlán).

03

Anailís torthaí

Taispeánann an Figiúr seo a leanas cuair na slaodacht sreafa seasta-stáit η den sciodar catalaíoch le ráta lomadh, an modulus stórála agus an modulus caillteanais le brú, agus déantar na pointí sonraí go léir a chódú bunaithe ar an gcóimheas asaithe γ an ian sa sciorta catalaíoch. Tá sé léirithe ag staidéir go mbreathnaítear ar tanú lomadh i mbeagnach gach sciodar catalaíoch, ag léiriú go bhfuil na comhiomláin a fhoirmítear sa sciodar catalaíoch de réir lomadh. Mar a thaispeántar i bhFigiúr 3 thíos, de réir mar a mhéadaíonn an cóimheas asaithe ionomer γ ó 0 go 20%, laghdaíonn na luachanna tréithiúla go léir, ag léiriú, nuair a mhéadaíonn an cóimheas asaithe ionomer γ go 20%, go ndéantar na comhiomláin PT/C a bhriseadh de réir a chéile.

Figiúr 1 (a) Slaodacht vs ráta lomadh, (b) modulus stórála vs brú, (c) modulus caillteanais vs brú. Léiríonn dath na bpointí sonraí an cóimheas asaithe ionomer γ (féach an barra datha ag bun an fhigiúir)

Is tomhas é an ghné bhréige ar neamhrialtacht cruthanna casta, idir 0 agus 3 go ginearálta, le 0 ag léiriú cáithníní scaipthe, 1 ag léiriú comhiomláin cosúil le slat, 2 ag léiriú líonraí cothrom nó brainseach, agus 3 ag léiriú comhiomláin dhlúth. Taispeánann na torthaí, de réir mar a mhéadaíonn an cóimheas asaithe ionomer γ, go bhfuil na ceirtíní ar leithligh i gcomhiomláin níos lú, agus go gcoinníonn na comhiomláin dosháraithe a struchtúr. Is é trastomhas na gcomhiomlán thart ar 200 nm. Ag an gcéad phointe trasdula viscoelastic den chóimheas asaithe ionomer γ ~ 0%, titeann an ghné bhriste D2 go géar ó 2 go dtí an dara pointe trasdula γ ~ 15%, athraíonn D2 de réir a chéile ó 1 go 0.5. Léiríonn comhsheasmhacht phointe casadh na toise fractal agus na n -airíonna réolaíocha go gcuirtear an t -athrú ar airíonna réolaíocha i leith an athraithe sa struchtúr comhiomlán.

Bunaithe ar na hairíonna réolaíocha agus na tréithe struchtúracha a breathnaíodh thuas, mhol Toyota Central Research Institute meicníocht dianscaoilte na gcomhiomlán sa sciodar catalaíoch. Ar mhaithe le caoithiúlacht, tugtar T1 agus T2 ar an dá aistriú struchtúrach ag γ ~ 0% agus ~ 15wt%, faoi seach. Nuair a bhíonn an cóimheas asaithe ionomer γ níos ísle ná an chéad phointe trasdula γ ~ 0%, tá an ghné bhriste D2 gar do 2, ag léiriú foirmiú struchtúr líonra glóthach collóideach. Sa stát seo, mar gheall ar asú méid beag ianmer ar na comhiomláin PT/C, tá an t -éaradh leictreastatach idir cáithníní beag, mar sin cruthaítear struchtúr líonra comhiomlán. Mar gheall ar an struchtúr líonra glóthach collóideach a bheith ann, tá an tslaodacht agus an modal stórála cothromaíochta ard.

Ag an bpointe trasdula struchtúrach T1, titeann an ghné bhréagach D2 go géar ó 2 go 1, laghdú ar ordú amháin. Léiríonn an t-athrú géar ar luach D2 go ndéantar struchtúr an líonra a dhianscaoileadh i mbloic níos lú cosúil le slat. Tá ionadaíocht ag an stát seo anseo mar Stát II. Tar éis an phointe trasdula ghéar T1, laghdaíonn an luach D2 de réir a chéile, rud a léiríonn go ngiorraíonn fad an tslat de réir a chéile leis an méadú ianmer γ. Tugann an tsaotharlann Taighde Lárnach Toyota léargas go gcinntear an fad seo de réir an chothromaíochta idir an t -éaradh leictreastatach ar an ianmer asaithe agus an fórsa hidreafóbach (nó mealladh díscaoilte).

Leis an méadú breise ar an gcóimheas asaithe ionomer γ, laghdaíonn an luach D2 de réir a chéile ó 1 go 0.5 nó níos lú. Ciallaíonn sé seo go dtitfidh na blúirí chun comhiomláin iargúlta a fhoirmiú tríd an idirghníomhaíocht fheabhsaithe leictreastatach fheabhsaithe de bharr asaithe breise ian -ionsaitheach. Sainmhínítear an stát scaipthe seo mar Stát III. Ag an bpointe seo, níl aon struchtúr líonra ann. Dá bhrí sin, iompraíonn an sciodar catalaíoch mar leacht Newtonian.

Chun a chinneadh cé na hairíonna sonracha tuaslagóra is cúis leis na hathruithe, rinne Saotharlann Taighde Lárnach Toyota staidéar ar an gcomhghaol idir tréithe sciodair agus tréithe tuaslagóra. Is féidir a fheiceáil go méadaíonn an cóimheas asaithe ionomer γ leis an méadú ar an gcodán meáchain uisce. Tá sé tuairimithe go bhfuil sé seo toisc go gcuireann an tuaslagóir hydrophilic an cnámh droma fluairín carbóin hidreafóbach sa ianmer agus a n -asaithe ar an dromchla carbóin hidreafóbach. Míníonn sé seo go réasúnach freisin an éifeacht bheag a bhaineann le luchtú platanam ar an asaithe ian. Is féidir le héifeacht an tuaslagóra ar an struchtúr sciodair catalaíoch a bheith tréithrithe go héifeachtach ag paraiméadar intuaslagthachta Hansen HSP-ΔP.

Mar gheall ar an meicníocht thuas, mar thoradh ar an méadú ar HSP-ΔP tá méadú ar an gcóimheas asaithe ionomóin γ. Mar thoradh air sin, tagann na comhiomláin ag titim trí idirghníomhaíochtaí repulsive, agus mar thoradh air sin laghdaítear an ghné bhréagach D2 de na comhiomláin. I ndeireadh na dála, laghdaíonn an slaodacht le HSP-ΔP atá ag dul i méid. Is fiú a lua gur féidir an comhghaol breathnaithe le HSP-ΔP a léiriú thart ar líne amháin beag beann ar an gcineál alcóil atá i láthair sa tuaslagóir, ag léiriú gur paraiméadar saintréithe tuaslagóra é HSP-ΔP a rialaíonn struchtúr comhiomlán agus viscoelasticity an sciodair chatalaíoch.

04

Achoimre

Sa staidéar seo, rinne Toyota imscrúdú ar na héifeachtaí a bhaineann le tuaslagóir ar an viscoelasticity, ar an ráta asaithe ionomer agus ar thréithe struchtúracha na gcomhiomláin i sciodair chatalaíocha trí chomhdhéanamh an tuaslagóra a athrú, agus mhol siad an mheicníocht fhoirmithe seo a leanas de chomhiomláin i sciorraí catalaíocha.

I dtuaslagóirí Polar amhail uisce, déanann an tuaslagóir an cnámh droma carbóin hidreafóbach sa ianmer a athchruthú, rud a fhágann go n-astaítear go leor iatáin ar na cáithníní catalaíocha ar an dromchla carbóin hidreafóbach. Sa chás seo, táirgeann na grúpaí aigéad sulfonic sna hiontóim asaithe idirghníomhaíochtaí repulsive leictreastatach, agus mar thoradh air sin cruthaítear comhiomláin atá scartha go maith, dochta agus scartha de chatalaígh Pt/C le méid thart ar 200 nm. Fiú má scaiptear go haonfhoirmeach é, ní féidir na comhiomláin seo a fhoroinnt go meicniúil i gcáithníní níos lú. As the polarity decreases with increasing alcohol content, ionomers desorb from the surface of the aggregates, resulting in the formation of relatively short rod-like aggregates with a mass fractal dimension approaching 1. As the polarity decreases further, the ionomers continue to desorb, forming a colloidal gel network structure with a fractal dimension approaching 2. As the elastic gel network develops, both viscosity and Méadú ar leaisteachas. Is féidir leis na haistrithe seo go léir tréithriú a dhéanamh ar HSP-ΔP Hansen, a léiríonn polaraíocht an tuaslagóra. Tugann na staidéir thuas le fios gur féidir struchtúr comhiomlán agus slaodacht na sciodair chatalaíocha do chealla breosla membrane prótóin a dhearadh trí pholaraíocht an tuaslagóra a bhfuil tréithe HSP-ΔP air a rialú.