CC BY
2
4. Либерман, К.А. Планирование и организация работы с резервом кадров [Электронный ресурс] А.К Либерман. - Режим доступа: http://www.rosbuh.ru.
УДК 541.128-022.532
Яштулов Н.А., д.х.н.
профессор кафедра физической химии Московски й государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
Лебедева М.В., к.х. н.
ассистент кафедра физической химии Зенченко В.О. аспирант кафедра физической химии Пестов С.М., д.х.н.
доцент
кафедра физической химии Россия, Москва
МИКРОМОЩНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА НА
ОСНОВЕ НАНОКОМПОЗИТОВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Получены функциональные электродные материалы на пористом кремнии и углеродных носителях с биметаллическими наночастицами платиновых металлов. Исследованы структурные и размерные характеристики нанокомпозитов методами электронной микроскопии и рентгено-фотоэлектронной спектроскопии.
Ключевые слова: биметаллические наночастицы платиновых металлов, пористый кремний, углеродные нанотрубки, нанокомпозиты.
It was obtained functional electrode materials on porous silicon and carbon carriers with bimetallic platinum metal nanoparticles. The structural and dimensional characteristics of nanocomposites were investigated by electron microscopy and x-ray photoelectron spectroscopy.
Keywords: bimetallic platinum metal nanoparticles, porous silicon, carbon nanotubes, nanocomposites.
Создание активных и стабильных каталитических материалов для конструирования микромощных источников тока с повышенными удельными характеристиками представляет собой принципиальную фундаментальную и практическую научную проблему современной физической химии, нанотехнологии и энергетики. Платина и композиты на ее основе считаются лучшими катализаторами реакций восстановления кислорода (РВК) и окисления водорода (РОВ), протекающих в электрохимических преобразователях энергии [110]. В ряде наших работ [6,7,8] и других публикациях [1-4,9-10] показано, что
наночастицы платиновых металлов, нанесенные на пористый кремний (ПК) и углеродные нанотрубки (УНТ), являются эффективными электрокатализаторами для химических источников тока (ХИТ). Топливом в ХИТ на основе ПК и углеродных носителей служат, как правило, водород, метанол, этанол, муравьиная кислота, а окислителем - кислород воздуха [1,4].
В данной работе методом химического восстановления ионов металлов в водно-органических растворах обратных мицелл с использованием неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ) - Тритон Х-100 были получены нанокомпозиты с биметаллическими наночастицами Pt-Pd и Pt-Ru при различном содержании металлов (1:1, 3:1, 1:3). В качестве наноструктурированных матриц-подложек в работе был выбран пористый кремний n- и p-типа с различной степенью легирования, степенью пористости (П) от 40 до 80 %, размером пор в диапазоне от 5 до 40 нм и одностенные углеродные нанотрубки (УНТ) с внутренним диаметром до 3 нм и длинной в несколько микрон.
Синтез кремниевой подложки проводилось методом электрохимического травления. Биметаллические наночастицы были получены высокоэффективным методом синтеза наночастиц в обратных мицеллах с использованием тетрагидробората натрия NaBH4 в качестве восстановителя и при ультразвуковой обработке. Данный метод позволил получить стабильные наночастицы с узким распределением по размерам. Варьируя величину степени солюбилизации (ю) -соотношение воды/ПАВ, которое в экспериментах изменяли от 1.5 до 5, можно контролировать размер наночастиц [6,7].
Было проведено исследование размеров, формы и распределение наночастиц платиновых металлов методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), изучена морфология поверхности пористого кремния, модифицированного наночастицами металлов методом растровой электронной микроскопии (РЭМ), для оценки зарядового состояния и содержания нанокомпозитов Pt-Pd и Pt-Ru на поверхности ПК И УНТ был использован метод рентгено-фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).
В результате проведенных исследований методом АСМ было обнаружено, что для биметаллических наночастиц Pt-Ru характерно образование, в основном, сферических частиц, а для Pt-Pd - эллипсовидных. Наименьший размер наночастиц Pt-Pd и Pt-Ru наблюдался при мольном соотношении металлов 3:1 в составе наночастиц. Средний размер частиц составлял от 2 до 13 нм в водно-органических растворах и от 1 до 5 нм - после осаждения на поверхность пористого кремния и углеродных носителей по данным РЭМ. Использованием ультразвуковой обработки стимулировало равномерное распределение наночастиц платиновых металлов с меньшим диаметром по поверхности функциональной матрицы-подложки. Нанопористая структура кремния ограничивает агломерацию наночастиц платиновых металлов в соответствии с размером нанопор, выполняя функцию стабилизатора, способствуя равномерному распределению наночастиц по поверхности. Результаты исследований РФЭС позволили рассчитать содержание наночастиц платиновых металлов на поверхности ПК n- и p-типов при различных
коэффициентах солюбилизации ю. Было сделано заключение, что на поверхности n-типа адсорбируется несколько больше наночастиц, чем на поверхности p-типа. Данное явление можно объяснить различной глубиной проникновения наночастиц в поры матрицы ПК. Пористый кремний n-типа отличается большими размерами пор, и платиновые металлы в повышенных количествах адсорбируются как по всему объему образцов, так и в приповерхностном слое кремниевой матрицы. Для ПК p-типа с меньшими размерами нанопор (5-20 нм) адсорбция наночастиц, вероятно, происходит в основном в поверхностном слое кремниевой матрицы, а не в глубине пор.
Предварительно проведенные испытания каталитической активности и стабильности нанокомпозитов на основе ПК и УНТ методом циклической вольтамперометрии (ЦВА) показали, что увеличение каталитической активности наночастиц Pt-Pd и Pt-Ru связано с повышенным содержанием наночастиц катализатора размерами менее 8 нм за счет стабилизации в объеме матрицы-подложки.
Таким образом, впервые оригинальным методом синтеза были сформированы нанокомпозиты с контролируемым составом, размером частиц и содержанием платиновых металлов в порах кремниевых и углеродных матриц-подложек. Данные катализаторы в дальнейшем могут быть использованы в качестве эффективных электродных материалов в реакциях окисления водорода и восстановления кислорода в микромощных химических источниках тока.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-03-05037-а.
Использованные источники:
1. Lindroos V., Motooka T., Franssila S., Paulasto-Krockel M., Tilli M., Airaksinen V.M. Handbook of silicon based MEMS materials and technologies. Micro and nano technologies, Elsevier, 2015. - 826 p.
2. Gautier G., Kouassi S. Integration of porous silicon in microfuel cells: a review // Int. J. Energy Res. 2014. V. 39. № 1. P. 1-25.
3. Kobayashi M., Suzuki T., Hayase M. A miniature fuel cell with monolithically fabricated Si electrodes - reduction of residual porous Si on catalyst layer // Journal of power sources. 2014. V. 267. P. 622-628.
4. Inagaki M., Kang F., Toyoda M., Konno H. Advanced materials science and engineering of carbon. Elsevier, 2014. - 431 p.
5. Yacou C., Ayral A., Giroir-Fendler A., Fontaine M.L., Julbe A. Hierarchical porous silica membranes with dispersed Pt nanoparticles // Microporous and mesoporous materials. 2009. V. 126. № 3. P. 222-227.
6. Яштулов Н.А., Гаврин С.С., Бондаренко В.П., Холостов К.И., Ревина А.А., Флид В.Р. Формирование нанокомпозитных катализаторов платины на пористом кремнии // Изв. РАН. Сер. хим. Т. 60. № 3. 2011. С. 425-430.
7. Яштулов Н.А., Флид В.Р. Особенности окисления муравьиной кислоты в присутствии нанокомпозитов пористого кремния с палладием // Изв. РАН. Сер. хим. 2013. Т. 62. № 6. С. 1332-1337.
8. Chu K., Shannon M., Masel R. Porous silicon fuel cells for micro power generation // J. Micromechanics and microengineering. 2007. V. 17. № 9. P. 243249.
9. Яштулов Н.А., Ревина А.А., Патрикеев Л.Н., Лебедева М.В., Флид В.Р. Портативные источники энергии с прямым окислением муравьиной кислоты на основе нанокомпозитов пористого кремния с палладием // Наукоемкие технологии. 2013. Т. 14. № 1. С. 21-24.
10. Ensafi A.A., Jafari-Asl M., Rezaei B., Mokhtari Abarghoui M., Farrokhpour H. Facile synthesis of Pt-Pd@silicon nanostructure as an advanced electrocatalyst for direct methanol fuel cells // Journal of power sources. 2015. V. 252. P. 452461.
11. Raypah M.E., Ahmed N.M. Characterization of porous silicon thin films passivated by a nano-silver layer // Materials science in semiconductor processing. 2015. V. 31. P. 235-239.
