CC BY
0Отечественные платиносодержащие электрокатализаторы для топливных элементов и электролизеров с протонообменной мембраной
С.В.Беленов1'2, АА.Алексеенко1'2, В.С.Меньшиков1'2, Е.Р.Бескопыльный1'2, И.А.Герасимова1'2, Д.В.Алексеенко1'2, Е.А.Могучих1,2, К.О.Паперж1'2,
В.Е.Гутерман2
1ООО «Прометей РД», 344090, Ростов-на-Дону, ул. Жмайлова 4г, кв 36 2ФГАОУВО «Южный федеральныйуниверситет»,344090, Ростов-на-Дону, Зорге 7,
к.215
Platinum-containing electrocatalysts for fuel cells and electrolyzers with proton
exchange membrane
S.V.Belenov1'2, A.A.Alekseenko12, V.S.Menshikov1'2, E.R.Beskopylny12, LA.Gerasimova1'2, D.V.Alekseenko1,2, E.A.Moguchikh1'2, K.O.Paperzh1,2,
V.E.Guterman2
1LLC "Prometey RD", 344090, Rostov-on-Don, st. Zhmailova 4g, apt 36 2 Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Southern Federal University", 344090, Rostov-on-Don, Zorge 7, room 215
e-mail: sbelenov@sfedu.ru
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.14
Топливные элементы (ТЭ) с протонообменной мембраной являются одним из наиболее перспективных источников энергии для использования на транспорте и в портативных источниках энергии благодаря высокой удельной плотности энергии и низким выбросам вредных веществ. Для эффективной работы топливных элементов необходимо использовать катализаторы, ускоряющие реакции окисления топлива на аноде и электровосстановление кислорода на катоде [1]. Большинство современных производителей катализаторов предлагают широкий ассортимент материалов с различной массовой долей платины от 10 до 70 % [2]. Это связано с тем, что в зависимости от типа топливного элемента и используемого электрода (анода или катода) необходим материал с разным содержанием платины. Именно поэтому важно разработать широкую линейку катализаторов с высокими удельными характеристиками и различным содержанием платины.
Основная задача ООО «ПРОМЕТЕЙ РД» - коммерческое производство платиноуглеродных электрокатализаторов для электролизеров и низкотемпературных топливных элементов с полимерной мембраной. Разработан и запатентован метод синтеза платиносодержащих катализаторов в жидкой фазе [3], который позволяет получать высокодисперные Pt/C катализаторы с содержанием платины от 10 до 60 % Pt. По данным порошковой дифрактометрии показано, что получены Pt/C-катализаторы со средним размером кристаллитов от 2.0 до 3.5 нм, при этом при увеличении массовой доли платины в материале от 20 до 60 % средний размер кристаллитов возрастает. По данным ПЭМ (рисунок 1) полученные катализаторы характеризуются равномерным распределением наночастиц платины размером от 2 до 4 нм по поверхности углеродного носителя и узким размерным распределением.
По результатам испытаний полученной серии катализаторов с различным содержанием Pt в мембранно-электродных блоках показано превосходство этих катализаторов над аналогами. Максимальная мощность, полученная в модельном
топливном элементе с использованием катализатора с содержанием платины 30%, составила 407 мВт/см2 при загрузке платины 0.382 мг/см2 (удельная мощность 1066 Вт/г), что значительно превышает мощность единичных топливных элементов на основе коммерческих материалов JM 40 и JM 20 (HiSpec 4000 и HiSpec 3000, Johnson Matthey Fuel Cells), испытанные в аналогичных условиях (рисунок 2), мощность которых соответственно составила 253 и 271 мВт/см2. Мембранно-электродная сборка водородно-воздушных топливных элементов, сформированная с использованием исследованных катализаторов, продемонстрировала максимальную мощность в диапазоне от 100% (60% Pt) до 170% (30% Pt) мощности МЭБ на основе коммерческого электрокатализатора HiSPEC4000 (Johnson Matthey Fuel Cells), содержащего 40% Pt.
I U 1 U 1 tl f U I I и ) M 1 U ) M I 1 U ) 1) I U »U I
Рисунок 1. ПЭМ-изображения Р/С-катализаторов с различным массовым содержанием Р: а -20 %, Ь - 40 %, с - 60 % и соответствующие гистограммы распределения наночастиц по
размерам.
500 1 000 1500 2000 2500 3000 3600
(Мй
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
¡(А/а)
Рисунок 2. Вольтамперные (а) и мощностные (Ь) удельные характеристики МЭБ с исследованными Р/С катализаторами с различной массовой долей платины.
Таким образом ряд Р^С-материалов с содержанием Pt от 10 до 70%, полученные по запатентованной методики жидкофазного синтеза [3] характеризуются малым средним размером и узким размерным распределением наночастиц по результатам рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии и высокой каталитической активностью по результатам испытания в единичном блоке топливного элемента.
В настоящее время ведется НИОКР над усовершенствованием методик синтеза, а также над разработкой новых подходов к получению PtM/C (М=Си, №, Со, Ru) катализаторов [4-5]. Разработанные методы синтеза позволяют получать
электрокатализаторы с более высокими функциональными характеристиками по сравнению с аналогами, благодаря сочетания оригинальной методики предобработки углеродного носителя и оптимизации условий многостадийного синтеза. Компания ООО «ПРОМЕТЕЙ РД» заинтересован в сотрудничестве с производителями топливных элементов по внедрению биметаллических катализаторов и готова предоставить опытные образцы для совместных исследований.
В рамках исследовательской работы получены образцы Ir/IrOx катализаторов с характеристиками, превышающими коммерческие аналоги, успешно проведено масштабирование методики и налажен выпуск продукции. ООО «ПРОМЕТЕЙ РД» заинтересован в сотрудничестве с производителями электролизеров с ПОМ по внедрению отечественных катализаторов и готов предоставить опытные образцы для совместных исследований.
Литература
[1] V.A. Grinberg, T.L. Kulova, N.A. Mayorova, et al., «Nanostructured cathodic catalysts for oxygen-hydrogen fuel cells». Russian Journal of Electrochemistry, vol. 43, pp. 77-86 (2007).
[2] https://matthey.com/products-and-services/fuel-cells/fuel-cell-catalysts.
[3] А.А. Алексеенко, С.В. Беленов, В.Е. Гутерман Способ получения катализаторов с наноразмерными частицами платины и ее сплавов с металлами Патент RU 2695999 .
[4] S. Belenov, D. Mauer, E. Moguchikh, A. Gavrilova, A. Nevelskaya, E. Beskopylny, I. Pankov, A. Nikulin, A. Alekseenko, «New Approach to Synthesizing Cathode PtCo/C Catalysts for Low-Temperature Fuel Cells». Nanomaterials, vol.14, p.n.856 (2024).
[5] S. Belenov, A. Pavlets, K. Paperzh, D. Mauer, V. Menshikov, A. Alekseenko, I. Pankov, M Tolstunov, V. Guterman, «The PtM/C (M = Co, Ni, Cu, Ru) Electrocatalysts: Their Synthesis, Structure, Activity in the Oxygen Reduction and Methanol Oxidation Reactions, and Durability». Catalysts, vol.13 p.n. 243 (2023).
