టయోటా సెంట్రల్ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ: ద్రావణి కూర్పు ఉత్ప్రేరక ముద్దలో ఉన్న మొత్తం నిర్మాణాన్ని తీవ్రంగా ప్రభావితం చేస్తుంది

ఉత్ప్రేరక ముద్ద యొక్క ద్రావణి కూర్పు ఉత్ప్రేరక పొర యొక్క రంధ్ర నిర్మాణాన్ని మరియు దాని స్కేల్ ఉత్పత్తి సామర్థ్యాన్ని గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. ఉత్ప్రేరక పొర యొక్క రంధ్ర నిర్మాణం పదార్థ లక్షణాలు మరియు ప్రాసెస్ పారామితులు వంటి అనేక అంశాల ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది. అయానోమర్ శోషణ నిష్పత్తి ముద్దలో ఉన్న మొత్తం నిర్మాణాన్ని ఆధిపత్యం చేసే ప్రధాన అంశం. ఈ వ్యాసం టయోటా సెంట్రల్ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ యొక్క రియోలాజికల్ ప్రాపర్టీస్, అయానోమర్ శోషణ రేటు మరియు ఉత్ప్రేరక ముద్దలో ఉన్న కంకరల నిర్మాణ లక్షణాలపై ద్రావణ కూర్పు ప్రభావంపై పరిశోధనను పంచుకుంటుంది.

01

సాంకేతిక నేపథ్యం

యొక్క ఉత్ప్రేరక పొరఆటోమోటివ్ ఇంధన కణాలుకార్బన్-మద్దతు గల ఉత్ప్రేరక కణాలు మరియు ప్రోటాన్లను బదిలీ చేసే అయానోమర్‌లను కలిగి ఉంటుంది. ఇంధన కణం యొక్క శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యం ఉత్ప్రేరక పొర యొక్క పోరస్ నిర్మాణం ద్వారా లోతుగా ప్రభావితమవుతుంది. పోరస్ ఎలక్ట్రోడ్‌లో, ఎలక్ట్రాన్లు PT/C ఉత్ప్రేరకంలో నిర్వహించబడతాయి, ప్రోటాన్లు అయానోమెర్‌లో నిర్వహిస్తారు మరియు ఆక్సిజన్ అణువులు రంధ్రాలు మరియు అయానోమర్లలో వ్యాప్తి చెందుతాయి మరియు చొచ్చుకుపోతాయి. మూడు పదార్థాలు PT ఉత్ప్రేరకం యొక్క ఉపరితలంపై ORR ప్రతిచర్య ద్వారా నీటిని ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఇంధన కణం యొక్క శక్తి మార్పిడి సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి, మూడు-దశల ఇంటర్‌ఫేస్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి PT/C కణాలు మరియు అయానోమర్‌ల యొక్క స్థానం మరియు నిర్మాణాన్ని నియంత్రించడం అవసరం.

పెద్ద-స్థాయి ఉత్పత్తిలో, అధిక ఉత్పత్తి సామర్థ్యం కారణంగా, ఉత్ప్రేరక పొర సాధారణంగా చీలిక పూత ప్రక్రియ ద్వారా పూత పూయబడుతుంది. స్లిట్ పూత పద్ధతి అధిక-ఖచ్చితమైన పూత పద్ధతి. పూత ముద్దను నిల్వ పరికరం నుండి సరఫరా పైప్‌లైన్ ద్వారా నాజిల్ వరకు నొక్కి, మరియు కోటెడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌కు బదిలీ చేయడానికి ముద్దను నాజిల్ నుండి పిచికారీ చేస్తారు. స్లిట్ పూత పద్ధతిలో, PT/C కణాలతో కూడిన ఉత్ప్రేరక ముద్ద, అయానోమర్ మరియు వాటర్-ఆల్కహాల్ ద్రావకం నిల్వ పరికరం నుండి సరఫరా పైప్‌లైన్ ద్వారా నాజిల్ వరకు నొక్కి, మరియు ముద్ద నాజిల్ నుండి కోటెడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌కు బదిలీ చేయబడుతుంది. ఉత్ప్రేరక ముద్దను ఎండబెట్టిన తరువాత, పోరస్ ఉత్ప్రేరక పొరను వేడి నొక్కడం ద్వారా ప్రోటాన్ ఎక్స్ఛేంజ్ పొరకు బదిలీ చేస్తారు (టయోటా యొక్క రెండవ తరం మిరాయ్ ఇంధన సెల్ యొక్క కాథోడ్ ఉత్ప్రేరక పొర కోసం బదిలీ పద్ధతి వంటివి). పై ప్రక్రియ ద్వారా తయారు చేయబడిన ఉత్ప్రేరక పొర యొక్క నిర్మాణం కార్బన్ క్యారియర్, ప్లాటినం మరియు అయానోమర్ యొక్క రకం మరియు చెదరగొట్టే స్థితి వంటి భౌతిక లక్షణాలతో సహా అనేక అంశాల ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది; ద్రావణి కూర్పు, I/C నిష్పత్తి, ఉష్ణోగ్రత మరియు చెదరగొట్టే పద్ధతి వంటి ఉత్ప్రేరక ముద్ద తయారీ ప్రక్రియలో ప్రాసెస్ పారామితులు. వాటిలో, ద్రావణి కూర్పు ఉత్ప్రేరక పొర యొక్క పనితీరును గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తుంది.

ఇప్పటికే ఉన్న అధ్యయనాలు ఉత్ప్రేరక పొరలో కఠినమైన కంకరల ఉనికిని వెల్లడించాయి, పరిమాణ పరిధి 100-300 nm, ప్రధానంగా 20-40 nm పరిమాణంలో PT/C ఉత్ప్రేరక కణాలతో కూడి ఉంటుంది. అయానోమర్ యొక్క కంటెంట్ మరియు కూర్పుపై ఆధారపడి, ఈ కంకరలు మరింత సంకలనం 1-10 μm పరిమాణంలో కంకరలను ఏర్పరుస్తాయి. పనితీరుపై ద్రావణి కూర్పు యొక్క ప్రభావాన్ని బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి, ద్రావణి కూర్పు ఉత్ప్రేరక ముద్దలో PT/C కణ కంకరల నిర్మాణాన్ని ఎలా ప్రభావితం చేస్తుందో స్పష్టం చేయడం అవసరం (కంకరలు ఉత్ప్రేరక పొర యొక్క ప్రధాన చట్రాన్ని ఏర్పరుస్తాయి). ఈ వ్యాసం టయోటా సెంట్రల్ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ నిర్వహించిన ఉత్ప్రేరక ముద్దలో కంకరల యొక్క నిర్మాణ లక్షణాలపై ద్రావణి కూర్పు ప్రభావం యొక్క అధ్యయనాన్ని పరిచయం చేస్తుంది.

02

పరిశోధన తయారీ

అధ్యయనంలో ఉపయోగించే ద్రావణి కూర్పు ఇథనాల్, 1-ప్రొపనాల్ మరియు డయాసెటోన్ ఆల్కహాల్. ద్రావణి ధ్రువణతను మూడు ద్రావణి కూర్పుల ద్వారా పెద్ద సంఖ్యలో నియంత్రించవచ్చు మరియు ద్రావణి ధ్రువణత హాన్సెన్ ద్రావణీయత ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది. ధ్రువణత పెరిగేకొద్దీ, ధ్రువ ద్రావకం అయానోమెర్‌లోని నీటి రవాణా యొక్క ప్రధాన గొలుసును తిప్పికొడుతుంది, దీని ఫలితంగా కార్బన్ ఉపరితలంపై అయానోమర్ యొక్క శోషణ ఏర్పడుతుంది మరియు అయానోమర్ శోషణ నిష్పత్తి γ (మొత్తం అయానోమెర్‌కు పిటి/సి ఉత్ప్రేరకంపై అయానోమర్ యొక్క నిష్పత్తి) పెరుగుతుంది.

03

ఫలిత విశ్లేషణ

కింది మూర్తి 1 కోత రేటుతో ఉత్ప్రేరక ముద్ద యొక్క స్థిరమైన-రాష్ట్ర ప్రవాహ స్నిగ్ధత of యొక్క వక్రతలను చూపిస్తుంది, నిల్వ మాడ్యులస్ మరియు నష్ట మాడ్యులస్ స్ట్రెయిన్‌తో మరియు అన్ని డేటా పాయింట్లు ఉత్ప్రేరక మురికిలోని అయానోమర్ యొక్క అధిశోషణం నిష్పత్తి ఆధారంగా రంగు-కోడెడ్ చేయబడతాయి. కోత సన్నబడటం దాదాపు అన్ని ఉత్ప్రేరక ముద్దలలో గమనించబడిందని అధ్యయనాలు చూపించాయి, ఇది ఉత్ప్రేరక ముద్దలో ఏర్పడిన కంకరలు కోత-కూడుకున్నవి అని సూచిస్తుంది. క్రింద ఉన్న మూర్తి 3 లో చూపినట్లుగా, అయానోమర్ శోషణం నిష్పత్తి 0 నుండి 0 నుండి 20%పెరిగేకొద్దీ, అన్ని లక్షణ విలువలు తగ్గుతాయి, అయానోమర్ శోషణ నిష్పత్తి 20 20%కి పెరిగినప్పుడు, PT/C కంకరలు క్రమంగా విచ్ఛిన్నమవుతాయి.

మూర్తి 1 (ఎ) స్నిగ్ధత వర్సెస్ షీర్ రేట్, (బి) స్టోరేజ్ మాడ్యులస్ వర్సెస్ స్ట్రెయిన్, (సి) లాస్ మాడ్యులస్ వర్సెస్ స్ట్రెయిన్. డేటా పాయింట్ల రంగు అయానోమర్ అధిశోషణం నిష్పత్తిని సూచిస్తుంది (ఫిగర్ దిగువన ఉన్న రంగు పట్టీ చూడండి)

ఫ్రాక్టల్ డైమెన్షన్ అనేది సంక్లిష్ట ఆకృతుల యొక్క అవకతవకల యొక్క కొలత, సాధారణంగా 0 నుండి 3 వరకు ఉంటుంది, 0 చెదరగొట్టబడిన కణాలను సూచిస్తుంది, 1 రాడ్ లాంటి కంకరలను సూచిస్తుంది, 2 ఫ్లాట్ లేదా బ్రాంచ్డ్ నెట్‌వర్క్‌లను సూచిస్తుంది మరియు 3 దట్టమైన కంకరలను సూచిస్తుంది. అయానోమర్ అధిశోషణం నిష్పత్తి పెరిగేకొద్దీ, అగ్లోమీరేట్లు చిన్న కంకరలుగా విభజించబడతాయి మరియు అసంబద్ధమైన కంకరలు వాటి నిర్మాణాన్ని నిర్వహిస్తాయని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి. కంకర యొక్క వ్యాసం 200 nm. అయానోమర్ అధిశోషణం నిష్పత్తి యొక్క మొదటి విస్కోలాస్టిక్ పరివర్తన బిందువు వద్ద ~ 0%, ఫ్రాక్టల్ డైమెన్షన్ డి 2 2 నుండి 1 కి పడిపోతుంది. రెండవ పరివర్తన పాయింట్ వద్ద ~ ~ 15%, డి 2 క్రమంగా 1 నుండి 0.5 కు మారుతుంది. ఫ్రాక్టల్ పరిమాణం మరియు రియోలాజికల్ లక్షణాల మలుపు యొక్క స్థిరత్వం భూగర్భ లక్షణాలలో మార్పు మొత్తం నిర్మాణంలో మార్పుకు కారణమని సూచిస్తుంది.

పైన గమనించిన రియోలాజికల్ లక్షణాలు మరియు నిర్మాణ లక్షణాల ఆధారంగా, టయోటా సెంట్రల్ రీసెర్చ్ ఇన్స్టిట్యూట్ ఉత్ప్రేరక ముద్దలో ఉన్న కంకరల కుళ్ళిన యంత్రాంగాన్ని ప్రతిపాదించింది. సౌలభ్యం కోసం, రెండు నిర్మాణాత్మక పరివర్తనలను వరుసగా ~ 0% మరియు ~ 15wt% వద్ద T1 మరియు T2 అని పిలుస్తారు. అయానోమర్ అధిశోషణం నిష్పత్తి మొదటి పరివర్తన పాయింట్ γ ~ 0%కంటే తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, ఫ్రాక్టల్ డైమెన్షన్ D2 2 కి దగ్గరగా ఉంటుంది, ఇది ఘర్షణ జెల్ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణం ఏర్పడటాన్ని సూచిస్తుంది. ఈ స్థితిలో, PT/C కంకరలలో తక్కువ మొత్తంలో అయానోమర్ యొక్క శోషణ కారణంగా, కణాల మధ్య ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ వికర్షణ చిన్నది, కాబట్టి మొత్తం నెట్‌వర్క్ నిర్మాణం ఏర్పడుతుంది. ఘర్షణ జెల్ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణం ఉనికి కారణంగా, స్నిగ్ధత మరియు సమతౌల్య నిల్వ మాడ్యులస్ రెండూ ఎక్కువగా ఉన్నాయి.

నిర్మాణ పరివర్తన పాయింట్ T1 వద్ద, ఫ్రాక్టల్ డైమెన్షన్ D2 2 నుండి 1 కి బాగా పడిపోతుంది, ఇది పరిమాణం యొక్క ఒక క్రమం తగ్గుతుంది. D2 విలువలో పదునైన మార్పు నెట్‌వర్క్ నిర్మాణం చిన్న రాడ్ లాంటి శకలాలుగా కుళ్ళిపోయిందని సూచిస్తుంది. ఈ రాష్ట్రం ఇక్కడ స్టేట్ II గా ప్రాతినిధ్యం వహిస్తుంది. పదునైన పరివర్తన పాయింట్ T1 తరువాత, D2 విలువ క్రమంగా తగ్గుతుంది, ఇది రాడ్ యొక్క పొడవు అయానోమర్ of యొక్క పెరుగుదలతో క్రమంగా తగ్గిపోతుందని సూచిస్తుంది. టయోటా సెంట్రల్ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ ఈ పొడవు యాడ్సోర్బ్డ్ అయానోమర్ యొక్క ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ వికర్షణ మరియు హైడ్రోఫోబిక్ (లేదా చెదరగొట్టే ఆకర్షణ) శక్తి మధ్య సమతుల్యత ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది.

అయానోమర్ శోషణ నిష్పత్తి of యొక్క మరింత పెరుగుదలతో, D2 విలువ క్రమంగా 1 నుండి 0.5 లేదా అంతకంటే తక్కువ తగ్గుతుంది. దీని అర్థం, శకలాలు మరింత అయానోమర్ శోషణ వల్ల కలిగే మెరుగైన ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ వికర్షక పరస్పర చర్య ద్వారా వివిక్త కంకరలను ఏర్పరుస్తాయి. అత్యంత చెదరగొట్టబడిన ఈ రాష్ట్రం రాష్ట్రం III గా నిర్వచించబడింది. ఈ దశలో, నెట్‌వర్క్ నిర్మాణం లేదు. అందువల్ల, ఉత్ప్రేరక ముద్ద న్యూటోనియన్ ద్రవంగా ప్రవర్తిస్తుంది.

నిర్దిష్ట ద్రావణి లక్షణాలు ఏ మార్పులకు కారణమవుతాయో తెలుసుకోవడానికి, టయోటా సెంట్రల్ రీసెర్చ్ లాబొరేటరీ ముద్ద లక్షణాలు మరియు ద్రావణ లక్షణాల మధ్య పరస్పర సంబంధాన్ని అధ్యయనం చేసింది. నీటి బరువు భిన్నం పెరుగుదలతో అయానోమర్ శోషణ నిష్పత్తి పెరుగుతుందని చూడవచ్చు. హైడ్రోఫిలిక్ ద్రావకం అయానోమెర్‌లోని హైడ్రోఫోబిక్ కార్బన్ ఫ్లోరిన్ వెన్నెముకను తిప్పికొడుతుంది మరియు హైడ్రోఫోబిక్ కార్బన్ ఉపరితలానికి అధిశోషణం చేస్తుంది. ఇది అయానోమర్ శోషణపై ప్లాటినం లోడింగ్ యొక్క చిన్న ప్రభావాన్ని కూడా సహేతుకంగా వివరిస్తుంది. ఉత్ప్రేరక ముద్ద నిర్మాణంపై ద్రావకం యొక్క ప్రభావాన్ని హాన్సెన్ ద్రావణీయ పరామితి HSP-ΔP ద్వారా సమర్థవంతంగా వర్గీకరించవచ్చు.

పై యంత్రాంగం కారణంగా, HSP-ΔP పెరుగుదల అయానోమర్ శోషణ నిష్పత్తి పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది. తత్ఫలితంగా, కంకరలు వికర్షక పరస్పర చర్యల ద్వారా కూలిపోతాయి, దీని ఫలితంగా కంకర యొక్క ఫ్రాక్టల్ డైమెన్షన్ D2 తగ్గుతుంది. అంతిమంగా, పెరుగుతున్న HSP-ΔP తో స్నిగ్ధత తగ్గుతుంది. HSP-ΔP తో గమనించిన సహసంబంధాన్ని ద్రావకంలో ఉన్న ఆల్కహాల్ రకంతో సంబంధం లేకుండా ఒకే పంక్తి ద్వారా ప్రాతినిధ్యం వహించవచ్చు, ఇది HSP-ΔP ఒక ద్రావణ లక్షణ పరామితి అని సూచిస్తుంది, ఇది ఉత్ప్రేరక ముద్ద యొక్క మొత్తం నిర్మాణం మరియు విస్కోలాస్టిసిటీని సమర్థవంతంగా నియంత్రిస్తుంది.

04

సారాంశం

ఈ అధ్యయనంలో, టయోటా విస్కోలాస్టిసిటీ, అయానోమర్ శోషణ రేటు మరియు ద్రావణ కూర్పును మార్చడం ద్వారా ఉత్ప్రేరక స్లరీలలో కంకరల యొక్క నిర్మాణాత్మక లక్షణాలపై ద్రావకం యొక్క ప్రభావాలను పరిశోధించింది మరియు ఉత్ప్రేరక ముద్దలలో కంకరల యొక్క క్రింది నిర్మాణ యంత్రాంగాన్ని ప్రతిపాదించింది.

నీటి వంటి ధ్రువ ద్రావకాలలో, ద్రావకం అయానోమెర్‌లోని హైడ్రోఫోబిక్ కార్బన్-ఫ్లోరిన్ వెన్నెముకను తిప్పికొడుతుంది, దీని ఫలితంగా హైడ్రోఫోబిక్ కార్బన్ ఉపరితలంపై ఉత్ప్రేరక కణాలపై అనేక అయానోమర్‌లను శోషణ చేస్తుంది. . ఏకరీతిగా చెదరగొట్టినప్పటికీ, ఈ కంకరలను యాంత్రికంగా చిన్న కణాలుగా ఉపవిభజన చేయలేము. పెరుగుతున్న ఆల్కహాల్ కంటెంట్‌తో ధ్రువణత తగ్గడంతో, అయానోమర్లు కంకర యొక్క ఉపరితలం నుండి నిర్జనమైపోతాయి, దీని ఫలితంగా సాపేక్షంగా చిన్న రాడ్ లాంటి కంకరలు 1 సమీపించే ద్రవ్యరాశి ఫ్రాక్టల్ డైమెన్షన్‌తో ఏర్పడతాయి. ధ్రువణత మరింత తగ్గడంతో, అయానోమర్లు అస్తవ్యస్తంగా కొనసాగుతూ, సాగే జెల్ నెట్‌వర్క్ యొక్క ఘర్షణ జెల్ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఈ పరివర్తనాలన్నీ హాన్సెన్ ద్రావణీయత HSP-ΔP ద్వారా వర్గీకరించబడతాయి, ఇది ద్రావకం యొక్క ధ్రువణతను సూచిస్తుంది. ప్రోటాన్ ఎక్స్ఛేంజ్ మెమ్బ్రేన్ ఇంధన కణాల కోసం ఉత్ప్రేరక ముద్దల యొక్క మొత్తం నిర్మాణం మరియు స్నిగ్ధత HSP-ΔP ద్వారా వర్గీకరించబడిన ద్రావణి ధ్రువణతను నియంత్రించడం ద్వారా రూపొందించవచ్చని పై అధ్యయనాలు సూచిస్తున్నాయి.