Anodo di platino

Mentre l'anodo facilita principalmente la reazione di evoluzione dell'ossigeno nell'elettrolisi dell'acqua PEM industriale per la produzione di idrogeno, gli anodi rivestiti di platino- servono da tempo come materiale catalitico centrale in un'altra tecnologia PEM fondamentale: le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC). Le celle a combustibile PEM generano elettricità attraverso la reazione elettrochimica di idrogeno e ossigeno, mentre la reazione anodica è H₂ → 2H⁺ + 2e⁻. Sebbene teoricamente più semplice della reazione di evoluzione dell'ossigeno, questo processo richiede un catalizzatore altamente efficiente per abbassare l'energia di attivazione, poiché il legame H-H nella molecola di idrogeno deve essere rotto. Il platino mostra eccellenti capacità di adsorbimento e dissociazione dell'idrogeno (H₂ + 2Pt → 2Pt-H), seguito dal passaggio Pt-H → Pt + H⁺ + e⁻; gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno per generare corrente, mentre i protoni migrano attraverso il PEM fino al catodo, dove si combinano con l'ossigeno per formare acqua.

Gli elettrolizzatori PEM industriali non funzionano in uno stato stazionario; richiedono invece un aggiustamento dinamico basato sull’apporto di energia rinnovabile. Ad esempio, i sistemi fotovoltaici funzionano ad alta potenza durante il giorno, l’energia eolica fluttua con la velocità del vento e i sistemi di accumulo dell’energia richiedono una risposta rapida. Di conseguenza, le apparecchiature PEM per la produzione di idrogeno sono sottoposte a frequenti avviamenti, arresti, aumenti e diminuzioni del carico. Tuttavia, l'avvio e lo spegnimento sono le fasi in cui gli elettrolizzatori sono più suscettibili al degrado delle prestazioni. Le cause principali includono il crossover del gas, picchi di potenziale localizzati, l'ossidazione del catalizzatore e danni al gruppo elettrodo-della membrana.

Le prestazioni dianodo di platinoderiva fondamentalmente dalla loro struttura elettronica unica. Il platino è un metallo con una struttura cubica a facce-centrata (fcc) e i suoi elettroni orbitali 5d- possono interagire con gli intermedi della reazione. La reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) agli anodi PEM coinvolge intermedi adsorbiti come OH, O e OOH. Il percorso completo della reazione è tipicamente rappresentato come segue: primo, H₂O + Pt → Pt-OH + H⁺ + e⁻; secondo, Pt-OH → Pt-O + H⁺ + e⁻; terzo, Pt-O + H₂O → Pt-OOH + H⁺ + e⁻; e il quarto, Pt-OOH → Pt + O₂ + H⁺ + e⁻. I fattori chiave che determinano la velocità di reazione includono la forza di adsorbimento di Pt-OH, la capacità di legame di Pt-O e lo stato elettronico della superficie di Pt. Una forza di adsorbimento eccessiva ostacola il desorbimento dell’ossigeno e porta alla copertura del catalizzatore, mentre una forza di adsorbimento insufficiente rende difficile l’attivazione delle molecole d’acqua. Il platino possiede un equilibrio ottimale per quanto riguarda l'adsorbimento degli intermedi dell'ossigeno, mostrando quindi prestazioni catalitiche superiori; questo è uno dei motivi principali per cui il platino è stato a lungo utilizzato nei sistemi elettrochimici PEM.

Il gruppo membrana-elettrodo (MEA) è il componente principale di un elettrolizzatore PEM e le sue prestazioni determinano direttamente l'efficienza della produzione di idrogeno. Un MEA è costituito principalmente da una membrana a scambio protonico, uno strato catalizzatore e uno strato di diffusione del gas. Sebbene lo strato catalizzatore abbia in genere uno spessore di solo decine di micron, è responsabile dell'intera reazione elettrochimica. La funzione primaria dell'anodo rivestito all'interno del MEA è fornire un'interfaccia altamente attiva per la reazione di ossidazione; la reazione dell'anodo PEM comporta un processo di trasferimento multi-elettrone (H₂O → O₂) che procede attraverso diversi stati intermedi adsorbiti. Questi passaggi includono l'adsorbimento delle molecole d'acqua, la scissione del legame O-H, la formazione dell'intermedio dell'ossigeno, la generazione del legame O-O e il desorbimento dell'ossigeno. Le superfici di platino mostrano un'eccellente attività catalitica per questi processi.