Chất xúc tác kim loại
Kim loại là chất xúc tác trong rất nhiều phản ứng. Trong phản ứng điện hĩa, bề mặt của kim loại là nơi hoạt hĩa các phản ứng hĩa học. Diện tích bề mặt càng lớn, hoạt tính xúc tác càng cao, tốc độ phản ứng càng nhanh. Điều đĩ cĩ nghĩa là khi kim loại cĩ cấu trúc là các hạt nano thì hoạt tính tăng lên gấp nhiều lần, do tỷ lệ diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với diện tích bề mặt màng.
Một đặc trưng khác ở hạt nano kim loại (~ 1-10 nm) là hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effect). Khi đĩ, từ trạng thái năng lượng liên tục của kim loại chuyển thành các mức năng lượng khác nhau ở các hạt nano. Điều này làm xuất hiện một số tính chất rất đặc biệt, và cĩ thể làm gia tăng hiệu ứng xúc tác của vật liệu (chẳng hạn như quang xúc tác,…)
Phản ứng điện hĩa xảy ra trong các điện cực của pin DMFC đĩng vai trị quan trọng, nĩ quyết định hiệu suất của pin DMFC. Tốc độ hoạt hĩa của chất xúc tác càng nhanh thì hiệu suất của pin DMFC càng cao. Do đĩ, lớp xúc tác trong pin DMFC thường được tổng hợp thành các hạt kim loại với kích thước chỉ vài nano đến 10 nm, gọi là hạt xúc tác nano.
Ưu điểm vượt trội của các hạt xúc tác nano là hiệu ứng bề mặt kim loại gia tăng gĩp phần thúc đẩy các phản ứng điện hĩa tại các điện cực. Mặt khác, chất xúc tác của pin DMFC thường là kim loại quý và đắt tiền nên giá thành rất cao. Vì vậy, khi các hạt xúc tác đạt kích thước vài nano thì khơng những hiệu quả hoạt hĩa cao hơn mà cịn giảm đáng kể lượng chất xúc tác sử dụng trong các phương pháp phủ màng truyền thống. Điều này gĩp phần làm giảm giá thành của pin DMFC, nâng cao khả năng thương mại hĩa và tính kinh tế của pin DMFC.
Một vấn đề cần chú ý khi sử dụng chất xúc tác nano trong phản ứng là các hạt nano kim loại cĩ xu hướng kết tụ lại, và làm giảm hoạt tính xúc tác của kim loại. Để tránh hiện tượng kết tụ khi xảy ra phản ứng hĩa học, các hạt kim loại cĩ kích thước nano phải được phân tán lên các loại vật liệu mao dẫn thích hợp, lớp đệm. Các lớp đệm mao dẫn này sẽ ngăn chặn sự kết tụ của các hạt kim loại, đồng thời giúp phân phối nhiên liệu đến các vị trí phản ứng tốt hơn, gĩp phần tăng hiệu suất pin DMFC.
Trong pin DMFC, chất xúc tác đang được sử dụng nhiều nhất ở các điện cực là các hạt nano Pt và hợp kim Pt-Ru. Các hạt nano Pt và Pt-Ru thường được tổng hợp bằng các phương pháp hĩa học để tạo thành các hạt cĩ kích cỡ nano, tiếp theo là một quá trình lắng đọng nhằm phân tán chất xúc tác lên lớp đệm.
Vật liệu đệm carbon
Để tránh hiện tượng keo tụ các hạt xúc tác nano, tăng khả năng phân tán các hạt nano kim loại, đồng thời tăng độ bám dính và ổn định chất xúc tác, hiện nay người ta thường sử dụng vật liệu carbon và các hợp chất của nĩ làm lớp đệm, lớp mang cho chất xúc tác. [2,15]
Vật liệu carbon cĩ ảnh hưởng lớn đối với các tính chất của xúc tác kim loại như kích thước hạt và mật độ phân tán trên nền lớp đệm, điều này liên quan trực tiếp đến hiệu suất của pin nhiên liệu. Mặt khác, chất carbon cũng ảnh hưởng đến các tính năng khác của pin nhiên liệu như: sự vận chuyển và phân phối chất phản ứng đến vị trí xúc tác; diện tích hoạt động hoạt hĩa của xúc tác; truyền và dẫn electron ở các điện cực; và độ bám dính, độ bền của hạt kim loại trong suốt thời gian hoạt động.
Các tính chất quan trọng của một vật liệu đệm cho điện cực xúc tác là độ dẫn điện, diện tích bề mặt, cấu trúc micro-nano, khả năng chống hao mịn và giá thành sản phẩm.
Trong thực tế, pin DMFC thường sử dụng vật liệu carbon ở dạng carbon đen (carbon black), màng carbon xốp (porous carbon), sợi carbon nano (carbon nanofibres), fullerenes hoặc gần đây là các ống than nano (carbon nanotubes) được nghiên cứu làm vật liệu đệm. Trong đĩ, carbon đen (CB), với tên thương mại là Vulcan XC-72, từ lâu là loại vật liệu đệm được sử dụng phổ biến bởi các ưu điểm về độ dẫn điện, diện tích bề mặt và giá thành. Bên cạnh đấy, cấu trúc màng carbon xốp với các lỗ cĩ kích thước cỡ micro-nano cũng rất hấp dẫn về khả năng phân tán và bám dính của chất xúc tác trên điện cực.
50