CC BY
0УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Создание высокоэффективных электрокатализаторов для топливных элементов: компромисс между активностью и стабильностью
А.А.Алексеенко1,2, С.В.Беленов1,2, А.С.Павлец1,2, К.О.Паперж1,2, В.С.Меньщиков1,2, Е.А.МОГУЧИХ1, Ю.А.Баян1
1 Южный федеральный университет, 344090, Ростов-на-Дону, ул. Зорге, д. 7 2ООО «Прометей РД», Ростов-на-Дону
Creation of highly efficient electrocatalysts for fuel cells: trade-off between activity and stability
A.A.Alekseenko1,2, S.V.Belenov^A.S.Pavlets1,2, K.O.Paperzh1,2, V.S.Menshchikov1,2, E.A.Moguchikh1, Yu.A.Bayan1
1 Southern Federal University, 344090, Rostov-on-Don, Zorge St., d. 7 2LLC "PrometheusRD", Rostov-on-Don
e-mail: an-an-alekseenko@yandex. ru DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.13
Платиносодержащие электрокатализаторы являются важнейшим компонентом топливных элементов с протонообменной мембраной (ТЭПОМ), обеспечивающим высокую эффективность работы энергоустановки и ее длительный срок службы [1]. Такие материалы представляют собой наночастицы платины или ее сплавов, равномерно распределённые по поверхности углеродного или композитного носителя. Как правило, активность в реакции электровосстановления кислорода и стабильность электрокатализаторов Pt/C и PtM/C антибатно зависят от их морфологических характеристик [2]. Это затрудняет выбор материалов, оптимальных по соотношению активности и стабильности.
В публикациях последних лет широко обсуждается вопрос о природе явлений, приводящих к снижению активности катализаторов, а, следовательно, и всего ТЭПОМ в процессе работы. Такое явление принято называть деградацией материала. Установлено, что деградация электрокатализатора может быть связана с процессами, влияющими на нано/микроструктуру, и, как следствие, на электрохимическое поведение материала (Рис. 1) [2]:
1) растворение наночастиц платины малого размера (менее 3 нм);
2) переосаждение платины из мелких наночастиц на более крупные;
3) селективное растворение d-металлов из биметаллических наночастиц;
4) агломерация наночастиц в ходе их поверхностной диффузии;
5) изменение формы наночастиц;
6) окисление углеродного носителя, обусловливающее отрыв наночастиц платины и потерю их контакта с носителем;
7) отравление поверхности платины, обусловленное хемосорбцией некоторых соединений в процессе работы ТЭПОМ.
Важно понимать, что вопрос о вкладе того или иного механизма в процесс деградации катализатора в зависимости от его состава, структуры и условий эксплуатации изучен недостаточно.
Добиться сочетания высоких значений каталитической активности и устойчивости к деградации является сложной задачей, поскольку эти параметры антибатно зависят от структурно-морфологических характеристик платиносодержащих электрокатализаторов
[3]. Среди различных путей решения проблемы долговечности Pt-содержащих катализаторов нами были предприняты следующие подходы: получение катализаторов на основе равноразмерных и равномерно распределенных по поверхности углеродного носителя Pt и PtM наночастиц, где М = Co, Ni, Cu; модифицирование углеродных и создание композитных носителей, менее подверженных процессам окисления [5-8]. Благодаря применению указанных подходов нам удалось получить ряды Pt/C и PtCu/C электрокатализаторов, характеризующихся повышенной активностью и стабильностью. По результатам тестирования в мембранно-электродном блоке полученный катализатор на основе модифицированного углеродного носителя Pt/CBN демонстрирует более высокие мощностные характеристики по сравнению с коммерческим аналогом топового производителя JM40 (Johnson Matthey) (Рис. 16).
изменение формы окисление носите™ ПЛОТНОСТЬ ТОКЭ, А/СМ2
Рисунок 1. Схематическое изображение механизмов деградации электрокатализаторов, содержащих наночастицы платины или ее сплавов на поверхности углеродного носителя (а). Разрядные и мощностные кривые Pt/C катализаторов, на катоде Pt/CBN и JM40 (~0.3 мг^)/см2 загрузка платины на катоде), мембрана Nation 212, анодный катализатор - JM40 (0.4 мг^)/см2). Условия измерений в мембранно-электродной сборке площадью 5 см2: 80°C, 100% влажность, давление 1.5 Бар, скорость потока газов 0.220/0.680 л/мин для Н2/воздуха (б).
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания в сфере научной деятельности №FENW-2023-0016.
Литература
[1] S.P. Filippov, A.B. Yaroslavtsev «Hydrogen energy: development prospects and materials», Russ. Chem. Rev., vol. 90, 627-643 (2021).
[2] K. Paperzh, A. Alekseenko, V. Volochaev, I. Pankov, O. Safronenko, V. Guterman «Stability and activity of platinum nanoparticles in the oxygen electroreduction reaction: is size or uniformity of primary importance? », Beilstein J. Nanotechnol., i. 12, 593-606 (2021).
[3] A. Alekseenko, A. Pavlets, E. Moguchikh, M. Tolstunov, E. Gribov, S. Belenov, V. Guterman «Platinum-Containing Nanoparticles on N-Doped Carbon Supports as an Advanced Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction», Catalysts, vol. 12, 414-428 (2022).
[4] A.A. Alekseenko, E.A. Moguchikh, O.I. Safronenko, V.E. Guterman «Pt/C electrocatalysts based on the nanoparticles with the gradient structure» // Int. J. Hydr. Energy, vol. 43, 2288522895 (2018).
[5] Е.А. Могучих, К.О. Паперж, А.А. Алексеенко, Е.Н. Грибов, В.Е. Гутерман «Активность и стабильность платинового наноструктурного катализатора, нанесенного на допированный азотом углеродный носитель», Электрохимия, том 58, 295-306 (2022).
[6] A.S. Pavlets, A.A. Alekseenko, I.V. Pankov, V.E. Guterman «Effect of the PtCu/C electrocatalysts initial composition on their activity in the de-alloyed state in the oxygen reduction reaction International», Int. J. Hydr. Energy, vol. 47, 30460-30471 (2022).
