Введение к работе
Актуальность работы. Благодаря бурному развитию микро- и наноэлектроники, электронной и вычислительной техники масштабы производства традиционных источников тока постоянно увеличиваются, хотя перспективы их улучшения технически ограничены. В этой связи наблюдается стремительный рост спроса на химические источники тока с высокими техническими характеристиками, основными из которых являются экологическая чистота, высокие удельные энергетические характеристики, стабильное напряжение разряда, оптимальные массогабаритные показатели, относительно низкая стоимость.
Проблема поиска альтернативных источников энергии стала особенно актуальной в связи с успехами нанотехнологии и электрохимии и появлением таких новых средств, как нанотрубки, наномембраны, нанопористые подложки. Их использование, по мнению специалистов, может явиться основой нового поколения изделий, отвечающих потребностям рынка нано- и микросистемной техники.
В настоящее время наиболее перспективными источниками тока для электронной аппаратуры являются микромощные картриджные водородно-воздушные топливные элементы, совместимые с кремниевыми микрочипами. Прежде всего, они нужны для военной и космической техники, медицины и биологии, транспортной и промышленной электроники, мобильных устройств.
Принципиальное улучшение характеристик и устранение определенных недостатков источников тока предлагается осуществить использованием новейших достижений нанотехнологии с применением углеродных нанотрубок (УНТ), нанокатализаторов и пористого кремния (ПК). Данные материалы представляют особый интерес благодаря ряду свойств, обуславливающих более высокую эффективность источников тока наряду с меньшим содержанием дорогостоящих катализаторов, а также возможность миниатюризации и интеграции источников тока на одном кристалле с электронными компонентами.
Работа выполнена в рамках проектов Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 06-08-00496, № 06-08-01084, № 09-08-00547 и № 09-08-00758.
Цель настоящей работы заключалась в разработке научно-технических основ создания высокоэффективных нанокомпозитных электродов для низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния. Достижение указанной цели осуществлено путем разработки методики модифицирования пористого кремния наночастицами металлов с каталитическими свойствами и оптимизации структурных и электрохимических параметров полученных катодов и анодов.
В работе предстояло решить ряд научно-технических задач:
Предложить метод синтеза наноструктурированного пористого кремния с контролируемыми параметрами и метод синтеза стабильных растворов наночастиц металлов с каталитическими свойствами.
Разработать метод изготовления высокоэффективных электродов на основе пористого кремния.
Исследовать физико-химические свойства каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния и установить их влияние на электрохимические характеристики анодов и катодов для топливных элементов.
Установить оптимальные параметры пористого кремния и модифицирующих растворов для создания наиболее эффективных каталитически активных электродов.
На защиту выносятся:
1. Физико-химические свойства каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния с наноразмерными частицами платины и палладия.
2. Метод изготовления высокоэффективных электродов на основе пористого кремния.
3. Экспериментальные электрохимические характеристики анодов и катодов для топливных элементов.
4. Влияние типа проводимости и степени пористости пористого кремния, состава и параметров изготовления нанокомпозитных электродов на их каталитическую активность.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые было проведено модифицирование пористого кремния обратно-мицеллярными растворами с наночастицами палладия и платины и комплексно исследовано формирование каталитических центров платины и палладия на пористом кремнии разного типа проводимости и пористости.
Установлена корреляция между физико-химическими свойствами каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния, их составом, структурой и условиями изготовления.
Впервые определено влияние структуры каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния на их энергетические параметры.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
Разработан метод изготовления каталитически активных электродов для источников тока в микро- и наноэлектронике, позволяющий снизить содержание дорогостоящих катализаторов в электродах на базе пористого кремния при сохранении высокой эффективности их работы.
Показаны преимущества разработанного метода изготовления каталитически активных электродов на базе пористого кремния перед методом пропитки в обратно-мицеллярных растворах с наночастицами катализаторов.
Установлены оптимальные параметры пористого кремния и модифицирующих растворов платины, при которых достигается наибольшая эффективность работы композитных электродов.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на: Тринадцатой международной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2007 г., Москва, МЭИ(ТУ)); Одиннадцатом международном семинаре-ярмарке «Российские технологии для индустрии» (2007 г., С.-Пб.); Четырнадцатой международной конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2008 г., Москва, МЭИ(ТУ)); Первом международном форуме по нанотехнологиям «Функциональные материалы для энергетики» - Rusnanotech 2008 (2008 г., Москва); Международном научно-техническом семинаре «Водородная энергетика как альтернативный источник энергии» (2009 г., Москва); Седьмой международной конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (2009 г., С.-Пб.); Тринадцатой международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2010» с элементами научной школы для молодежи «Инновации в химии: достижения и перспективы» (2010 г., Суздаль); Международный семинар «Электрокатализ в водородной энергетике» (2010 г., Трондхейм, Норвегия).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, выводы, список цитируемой литературы. Общий объем составляет 143 страницы, включая 37 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 204 наименований.
