Nové nanostrukturní katalyzátory pro palivové články I: bipolární články nového typu

Alternativní zdroje energie zaznamenávají během posledních let obrovský rozvoj. Nárůst výroby solární a větrná energie ale přináší i mnoho problémů vzhledem velmi omezeným možnostem regulace výroby elektřiny. To vede k přetěžování energetických soustav v důsledku akumulace energetických přebytků. Z tohoto důvodu je nezbytné doplnit tyto zdroje dalšími, které vedle produkce nezatěžující ovzduší skleníkovými plyny navíc umožní i plynulou regulaci a tím vyrovnávání energetických špiček.

Výroba elektrické energie z vodíku pomocí palivových článků představuje takovou alternativu. Palivové články s polymerní membránou (proton exchange membrane fuel cells PEMFC) se vyznačují provozem při nízké teplotě, nízkou hmotností a vysokou rychlostí změn výkonu. Proto jsou vhodné pro mobilní aplikace (auta na vodíkový pohon, zdroje k mobilním elektronickým systémům), jako lehké zdroje pro lokální vytápění s možností dálkově řízené regulace výkonu a v neposlední řadě v kombinaci s elektrolyzéry k uchovávání přebytků energie (energy storage) v procesu elektřina-vodík-elektřina.

PEMFs jsou napájeny buď plynným vodíkem, anebo kapalnými médii s vysokou energetickou hodnotou (např. metanol). Srdcem článku je katalyzátor, který rozkládá palivo na protony a elektrony (anoda). Protony procházejí iontově vodivou membránou a jsou následovány elektrony vytvářejícími elektrický proud a na druhé straně membrány reagují na katodovém katalyzátoru s kyslíkem ze vzduchu na vodu. Katalyzátory, jsou v současné době tvořeny nanopráškovou platinou, což celý systém velmi prodražuje.

Na našem pracovišti jsme vyvinuli zcela nový typ katalyzátoru chráněný americkými a japonskými patenty, který v podobě nanostrukturních tenkých vrstev oxidu ceru dopovaných malým množstvím Pt iontů vytvářenými v plazmatu deponujeme magnetronovým naprašováním na nanoporézní uhlíkové nosiče (uhlíkové nanotrubky nebo porézní vrstvy). Podrobnosti o nových materiálech lze najít např na iFORUM UK. V současné době je další výzkum podporován především Evropským projektem "Design of Thin-Film Nanocatalysts for On-Chip Fuel Cell Technology" a projektem GAČR "Nové materiály pro planární palivové články". První testy ukázaly, že cena na jednotku výkonu je až 100 x nižší než v případě čisté platiny.

Metodika fyzikální depozice tenkých vrstev umožňuje přípravu a výrobu palivových článků zcela nového typu. V práci se zaměříme na studium článků, ve kterých jsou katalyticky aktivní vrstvy deponovány přímo na iontově vodivou membránu.

Navrhovaná bakalářská práce bude zaměřena na studium chemických a strukturních vlastností katalytických vrstev Pt-CeOx pomocí pokročilých metod povrchové analýzy a mikroskopie s vysokým rozlišením. Cílem práce bude pochopení vlivu parametrů růstu vrstev na jejich fyzikálně chemické vlastnosti a aktivitu v PEMFC.

Experimentální metody studia budou především fotoelektronová spektroskopie XPS, řádkovací elektronová mikroskopie SEM s chemickou analýzou EDX a řádkovací mikroskopie atomárních sil AFM v kapalinách.

Vrstvy budou připravovány metodou magnetronového naprašování na polymerní membrány (PEM) palivových článků (viz příklad vrstvy pozorované v SEM) aktivované reaktivním plazmatem tak, aby vykazovaly vysoký specifický povrch. V závěru práce bude vrstva vykazující zajímavé vlastnosti studována přímo v palivovém článku.