מדוע פלטינה מזרזת את התפתחות המימן?

מימן וחמצן מגיבים תחת קטליזה של פלטינה (לא תגובת בעירה). לאחר התגובה, הפלטינה נשארת זהה ללא שינויים כימיים. תגובה זו לא יכולה להתבצע בבית, מכיוון שקצב התגובה תלוי בשטח הפנים של שחור פלטינה וגז. בדרך כלל, כמות הפלטינה השחורה והפלטינה בתאי הדלק קטנה מאוד, אך השטח גדול, ולכן קצב התגובה מהיר מאוד. הוא משמש בעיקר באמוניה. תהליכים כימיים כגון חמצון, חמצון והידרוגנציה של תרכובות בלתי רוויות, סילוק פחמן חד חמצני, תחמוצות חנקן וחומרים אורגניים מגזים, הידרואיזומריזציה של אלקנים ואלקנים וכו'.

מתכת פלטינה היא מתכת מעבר.

לרוב מתכות המעבר יש תכונות קטליטיות, אשר נקבעות על ידי העובדה שהשכבה החיצונית של האלקטרונים d של האטומים שלהן אינה מלאה במלואה. מכיוון ששכבת האלקטרון d אינה מלאה במלואה, למתכות מעבר יש את היכולת לספוח גז אחד או יותר בתנאי פאזת גז.

פני השטח של אלקטרודת הסוללה מצופים בשכבה של אבקת פלטינה עדינה. פלטינה בעלת יכולת חזקה לספוג גז ובעלת תכונות יציבות.

פלטינה מזרזת את התגובה של מימן וחמצן. בנוכחות פלטינה, מימן וחמצן יכולים להגיב בטמפרטורת החדר. המנגנון עשוי להיות שפלטינה יכולה לספוג מימן ולהפחית את אנרגיית ההפעלה שלו.

זרז פלטינה (שם באנגלית platinumcatalyst) הוא כינוי כללי לזרז העשוי ממתכת פלטינה כמרכיב הפעיל העיקרי. השתמש ברשת מתכת פלטינה, פלטינה שחורה או פלטינה על מנשא כגון אלומינה, ועשויים להכיל גם רכיבים מזרזים כמו מתכת רניום. הוא משמש בעיקר בתהליכים כגון חמצון אמוניה, רפורמת פחמימנים בנפט, חמצון והידרוגנציה של תרכובות בלתי רוויות והסרה של תחמוצות פחמן חד חמצני ותחמוצות חנקן מגזים. זהו זרז המשמש לעתים קרובות בתהליכי תגובה כימיים, נפט וכימיקלים בתעשייה.

מכיוון שהאפקט הקטליטי של האלקטרודה תלוי בעיקר בשני גורמים: חומר פני האלקטרודה, ומצב פני האלקטרודה (חספוס או חלקות). שימוש בפלטינה כקתודה לאלקטרוליזה של מים יקטין את פוטנציאל היתר של התפתחות המימן של הקתודה, ויקל על המשך התגובה האלקטרוכימית הקתודה.

עיקרון בסיסי: תגובת הקתודה מחולקת לשני תהליכים: 1. תחילה מופחתים יוני מים או מימן כדי לייצר את אטומי המימן של תוצר הביניים. שלב זה הוא המפתח לקביעת הקושי של התגובה. 2. לאחר מכן משולבים אטומי המימן למולקולות מימן, שהוא גז מימן.

לאלקטרודת הפלטינה השפעת ספיחה טובה על אטומי המימן של תוצר הביניים, מפחיתה את פעילות אטומי המימן ובכך מעודדת את התקדמות התגובה. אם נעשה שימוש בתהליכים מסוימים, כגון ציפוי פלטינה שחורה, כדי לחספס את פני האלקטרודה ליצירת מצב חלבי או נקבובי, הביצועים האלקטרוקטליטיים יהיו טובים עוד יותר.

זרזים יכולים בדרך כלל להפחית מאוד את אנרגיית ההפעלה של מים אלקטרוליזים, ובכך להפחית את פוטנציאל היתר של מים אלקטרוליזים. איכות הזרז קובעת את המתח הכולל הנדרש לאלקטרוליזה של מים ואת יעילות ההמרה של אנרגיה חשמלית לאנרגיית מימן.

לדוגמה, תא אלקטרוליטי המורכב משתי אלקטרודות גרפיט דורש בדרך כלל מתח גדול מ-2V כדי לייצר מימן וחמצן, מכיוון שגרפיט אינו זרז אידיאלי, בעוד שתא אלקטרוליטי המורכב משתי אלקטרודות נירוסטה דורש מתח של כ-1. 6-1.8V לייצור מימן וחמצן. מימן וחמצן. מחקר זרזים חדשים להגברת יעילות המרת האנרגיה הוא מוקד תשומת לב רבה בתחום האנרגיה.

בסביבה חומצית, פלטינה היא זרז לתגובת התפתחות המימן. אין לו כמעט פוטנציאל יתר ומדרון טאפל קטן מאוד (המתח הנוסף הנדרש להגדלת הזרם פי 10). זהו זרז כמעט אידיאלי. עם זאת, בשל המחסור במשאבי מתכת יקרות פלטינה, מדענים מחפשים כמה זרזים זולים (סולפידים מתכת מעבר, קרבידים ופוספידים).

תחמוצת אירידיום היא זרז לתגובת התפתחות החמצן, אך היא מסתמכת גם על משאבים נדירים. יחד עם זאת, בשל פוטנציאל גבוה וסביבה חומצית, מעט מאוד חומרים יכולים להציג בו זמנית פעילות קטליטית ויציבות עבור תגובת התפתחות החמצן, כך שעד כה לא נמצא תחליף לתחמוצת אירידיום.

בסביבות אלקליות, פלטינה ותחמוצת אירידיום הם עדיין זרזים טובים, אך בשל היציבות של תחמוצות והידרוקסידים בסביבות אלקליות, ישנן אפשרויות נוספות לתרכובות מתכת מעבר בעלות מספר אטומי נמוך.

לדוגמה, סגסוגות המבוססות על ניקל מציגות פעילות קטליטית מעולה ויציבות עבור תגובת התפתחות מימן, וחומרים מרוכבים על בסיס ניקל-ברזל וכמה חומרים פרוסקיטים מפגינים פעילות קטליטית מצוינת לתגובת התפתחות חמצן.

העיקרון הקטליטי הוא שמימן מתפרק לאלקטרונים וליוני מימן (פרוטונים) באמצעות זרז (פלטינה) באלקטרודה החיובית של תא הדלק. הפרוטונים עוברים דרך קרום החלפת הפרוטונים (Proton Exchange Membrane) אל האלקטרודה השלילית ומגיבים עם חמצן כדי להפוך למים ולחום.

האלקטרונים המתאימים זורמים מהאלקטרודה החיובית אל האלקטרודה השלילית דרך המעגל החיצוני. לשימוש מסחרי בתאי דלק מימן, אחד האתגרים הגדולים ביותר הוא בקרת עלויות. העלות הנוכחית של רכבי תאי דלק היא פי חמישה בערך משל מכוניות רגילות. מרכיב הליבה שלו נקרא קרום חילופי פרוטונים. זה יכול להפריד אלקטרונים במימן לפרוטונים, ואז להחליף אותם מהאלקטרודה החיובית לאלקטרודה השלילית כדי להגיב עם חמצן כדי לייצר מים וחום. בהתאם, הליבה של ממברנת חילופי הפרוטונים היא פלטינה הזרז. פלטינה היא מתכת יקרה, שהיא לרוב פלטינה, החומר של טבעות נישואין. על מנת לקדם מסחור בקנה מידה גדול יש להפחית מחד את כמות הזרז ומאידך לחפש חומרים חלופיים בעלות נמוכה.

בתא דלק מימן מבוסס פלטינה, מימן וחמצן משולבים לייצור חשמל, כאשר מים וחום הם תוצרי הלוואי היחידים. מולקולות מימן וחמצן מגיבות ומתחברות דרך ממברנת חילופי פרוטונים (PEM) המצופה בזרז פלטינה.

פלטינה מתאימה במיוחד כזרז לתאי דלק מכיוון שהיא מאפשרת למימן ולחמצן להגיב בקצב אופטימלי תוך שהוא יציב מספיק כדי לעמוד בסביבה הכימית המורכבת ובצפיפות הזרם הגבוהה בתוך תא הדלק לתפקד ביעילות לאורך זמן.

תאי דלק חולקים רבים מאותם מאפיינים כמו פעולה שקטה של ​​סוללות, ללא חלקים נעים ותגובה אלקטרוכימית המייצרת חשמל. עם זאת, בניגוד לסוללות, תאי דלק אינם דורשים טעינה ויכולים לפעול ללא הגבלת זמן כאשר דלק זמין. תא דלק יכול להשתמש בסוללה כרכיב מערכת כדי לאחסן את האנרגיה החשמלית שהוא מייצר.

הצג עוד