CC BY
16
УДК 544.653.2/.3
Панченко Н.В.1*, Трипачев О.В.2, Корчагин О.В.2, Новиков В.Т.1
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
2 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва, Россия 119071, Москва, Ленинский пр., 31, корп. 4 *e-mail: nadv.09@yandex.ru
ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ В КИСЛОРОДНОЙ РЕАКЦИИ НАНОСИСТЕМ 20% М/С В РАСТВОРАХ ДМСО
Электрохимическими методами исследована активность металлсодержащих катализаторов 20% M/C (М = Pt, Ru, Pd, Au; C = Vulcan XC72, УНТ, Super P) относительно кислородной реакции в растворах ДМСО. Установлено, что потенциал полуволны реакции практически не меняется в зависимости от типа катализатора. В качестве критерия каталитической активности выбран максимальный ток катодного процесса электровосстановления кислорода. На основании этого критерия наиболее активной каталитической системой является 20Pd/C.
Ключевые слова: кислородная реакция, электрокатализаторы, Li-O2 элемент, потенциал полуволны, ДМСО
В последние годы стремительно развиваются системы на основе электрохимической пары литий-кислород, обладающей огромной удельной энергоемкостью [1]. Разработка новых материалов для катода, анода, сепаратора этих элементов, подбор оптимального и устойчивого растворителя -это важные задачи, требующие решения. В имеющихся в литературе исследованиях проводится аналогия между электрокатализом кислородной реакции в водной и неводной среде, однако в неводном растворителе процесс характеризуется рядом новых факторов - малой растворимостью продукта реакции, слабой акцепторной способстью иона лития и т.д. Несмотря на значительное количество исследований, в настоящее время нет однозначного мнения о том, каков механизм кислородной реакции в неводных растворителях, включающей процессы электровосстановления и регенерации кислорода, и как влияют электрокаталитические свойства материала катода на перенапряжение каждого из этих процессов.
В рамках настоящей работы были изучены методом измерения ЦВА и поляризационных кривых электровосстановление и регенерация кислорода в модельных условиях (стандартная трехэлектродная ячейка) в электролите, содержащем 0,25 M LiClO4 в ДМСО, на ряде нанодисперсных монометаллических систем состава 20%М/С, где М = Pt, Ru, Pd, Au; C = Vulcan XC72, УНТ, Super P. В таблице 1 приведены заряды, соответствующие
некоторым системам, нанесенным на Vulcan ХС72 и углеродные нанотрубки отечественного
производства (г. Тамбов).
Разработанные методики низкотемпературного синтеза обеспечили получение высокодисперсных систем (площадь поверхности катализатора 20Pt/Super P, согласно оценке методом десорбции адатомов меди, достигает 85 м2/г). Полученные электрохимические данные позволили пересмотреть точку зрения на катализ кислородной реакции в неводных растворах.
Было установлено, что при переходе от углеродных материалов к монометаллическим катализаторам практически не изменяется потенциал полуволны кривой восстановления кислорода в ДМСО, который ранее рассматривался как основной показатель электрокаталитической активности (в электролите на основе пропиленкарбоната потенциал полуволны электровосстановления кислорода для активных монометаллических систем и углеродного носителя отличался на 400 мВ [2]).
По этой причине был предложен иной критерий каталитической активности материалов - величина количества электричества, соответствующая катодной и анодной составляющих протекающей кислородной реакции. На основании этого критерия палладий содержащий катализатор 20%Pd/C, синтезированный в нашей лаборатории, характеризуется наиболее высокой активностью в каждой из составляющих реакции (рис. 1).
Таблица 1. Расчет заряда, соответствующего протеканию катодной и анодной составляющих кислородной реакции в
0,25 М ЬЮ04 /БМ80 на поверхности катализаторов 20%М/С
Тип катализатора ' ■ 0, Кл (катодная составляющая) ■ 0, Кл (анодная составляющая)
20%Au/XC72 0,075684 0,078958
20% Pt /XC72 0,080046 0,12015
20% Pd/XC72 0,096194 0,184898
20%Ru/XC72 0,07226 0,264602
20%Au /УНТ4 0,086864 0,143496
20 %Pt /УНТ4 0,093802 0,103992
0,12 ОД 0,08 0,06 0,04 0,02 О
20Ruxc72 20Auxc72 20PLxc72 20Pdxc72
тип катализатора
Рис. 1. Сопоставление катализаторов 20%M/Vulcan XC72 в отношении катодной реакции
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-03-00378 А.
Панченко Надежда Владимировна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Трипачев Олег Васильевич, научный сотрудник лаборатории «Электрокатализ» Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Россия, Москва.
Корчагин Олег Вячеславович, старший научный сотрудник лаборатории «Электрокатализ» Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Россия, Москва.
Новиков Василий Тимофеевич, к.х.н., доцент, профессор кафедры технологии неорганических веществ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Beattie S. D., Manolescu D. M., Blair S. L. //J. of the Electrochemical Society. - 2009. - V.156. - P. A44-A47.
2. Трипачев О. В., Малеева Е. А., Тарасевич М. Р. //Электрохимия. - 2015. - Т. 51 (2). - С. 127-137.
Panchenko Nadezhda Vladimirovna1*, Tripachev Oleg Vasilevich2, Korchagin Oleg Vyacheslavovich2, Novikov Vasiliy Timofeevich1
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. 2A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry Russian Academy of Sciences *e-mail: nadv.09@yandex.ru
ELECTROCATALITIC ACTIVITY FOR OXYGEN REACTION OF 20%M/C NANOSYSTEMS IN DMSO SOLUTIONS
Abstract
The research of activity in the oxygen reaction of metal containing catalysts 20%M/C (М = Pt, Ru, Pd, Au; C = Vulcan XC72, CNT, Super P) is investigated in DMSO at our work with electrochemical methods. The half-wave potential of the reaction almost does not change depending on the type of catalyst is found. As a catalytic activity test selected maximal cathodic current of oxygen electroreduction. The most active catalyst system is 20Pd / C based on of this criterion.
Key words: oxygen reaction, electrocatalysts, Li-O2 battery, half-wave potential, DMSO.
