Введение к работе
Актуальность работы. Топливные элементы с полимерным протонопро-водящим электролитом (ТЭППЭ) рассматриваются как альтернатива существующим источникам энергии. Их основные достоинства - высокий КПД, низкий уровень вредных выбросов, бесшумность работы и широкий спектр применения. Важной составляющей топливных элементов являются Pt-электрокатализаторы с высоким содержанием благородного металла, до 40 вес.%, и развитой удельной поверхностью активного компонента.
Следует отметить, что в настоящее время отсутствуют надежные и технологичные методики синтеза подобных катализаторов при условии обеспечения высокой дисперсности нанесенной платины. В основе большинства известных методик лежит принцип формирования коллоидов металла и осаждения их на носитель, что требует использования дефицитных реагентов, органических растворителей или высокоразбавленных водных растворов (коллоиды устойчивы лишь при сильном разбавлении). Введение поверхностно-активных веществ для стабилизации коллоидов приводит к проблеме их последующего удаления, так как они блокируют поверхность активного компонента. В связи с этим, требуется разработка новых технологичных, экологически чистых методов синтеза высокопроцентных электрокатализаторов.
Цель работы. Разработка высокоэффективных катодных электрокатализаторов Pt/C для низкотемпературных топливных элементов.
Научная новизна. В ходе работы были получены следующие оригинальные результаты:
Разработана простая и технологичная методика синтеза высокопроцентных катализаторов Pt/C, заключающаяся в осаждении оксидов платины на поверх-ность углей путем гидролиза хлоридных комплексов Pt в присутствии восстановителя. Предложен возможный механизм формирования катализаторов Pt/C, заключающийся в образовании зародышей Pt на поверхности углей в результате адсорбции H2PtCU и их последующем росте при дальнейшем осаждении платины в присутствии NaOOCH и Na2C03
Раскрыто влияние предварительной модификации поверхности углей, естественных поверхностных микропримесей и введения посторонних электролитов в раствор предшественника платины на дисперсность катализаторов Pt/C. В результате определены оптимальное химическое состояние поверхности носителя и основные подходы регулирования дисперсности нанесённого металла.
Изучена зависимость дисперсности катализаторов, приготовленных в оптимальных условиях, от поверхностной концентрации нанесённой платины. Обнаружено, что в случае химически немодифицированных углей эта зависимость может быть представлена универсальной кривой независимо от природы углеродных носителей (УН), их субструктурных и текстурных свойств.
Практическая значимость. Разработана эффективная методика синтеза катализаторов Pt/C с содержанием металла 10-40 вес.%. Исследованы основные закономерности формирования катализаторов Pt/C, что позволяет прогнозировать их характеристики исходя из знаний о текстурных свойствах углеродных
\
материалов, используемых в качестве носителей. Определены основные подходы регулирования дисперсности нанесённого металла.
Впервые продемонстрирована перспективность углеродных материалов семейства Сибунит в качестве носителей для катодных электрокатализаторов ТЭППЭ. Разработан высокоэффективный катализатор 40 вес.% Pt/Сибунит 1562П, который превосходит по своим физико-химическим характеристикам один из лучших коммерческих аналогов (40 вес.% Pt/VulcanXC-72, Hispec 4000, J. Matthey). Образцы ТЭППЭ на основе разработанного катализатора показывают более высокую мощность, отнесенную на грамм металла, и стабильность по сравнению с коммерческими аналогами.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на III Международной конференции «Catalysis: Fundamentals and Application» (Новосибирск, 2007), I Международной конференции «Progress МЕА'08» (Франция, 2008), 2-й Всероссийской Школе-конференции молодых ученых «Функциональные наноматериалы в катализе и энергетике» (Свердловская область, 2009), XIX Международнаой Черняевской конференции по химии, аналитике и технологии платиновых металлов (Новосибирск, 2010).
Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке задач, решаемых в рамках диссертационной работы, проводил большинство экспериментов по разработке методики синтеза катализаторов Pt/C и исследованию закономерностей их формирования. Принимал активное участие в тестировании катализаторов, обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке статей и патента.
Публикации. По результатам вошедших в диссертацию исследований опубликованы 3 статьи в рецензируемых журналах, 5 тезисов докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, приложения и списка литературы.
Работа изложена на 126 страницах, содержит 49 рисунков и 13 таблиц. В библиографии приведено 158 ссылок.
