Влияние эволюции состава/структуры биметаллических наночастиц на каталитическую активность

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-79-10211

НазваниеВлияние эволюции состава/структуры биметаллических наночастиц на каталитическую активность

Руководитель Беленов Сергей Валерьевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые слова электрокатализ, биметаллические de-alloy наночастицы, коррозионная стабильность, реакция электровосстановления кислорода, электроокисление спиртов, циклическая вольтамперометрия, постобработка, топливные элементы

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Биметаллические наночастицы находят широкое применение в различных областях современной техники и технологий – в бионанотехнологии, медицине и диагностике, создании сенсоров, классическом катализе, фото- и электрокатализе и др. Электрокатализаторы на основе платиносодержащих наночастиц - важнейшие материалы, необходимые для создания твердополимерных топливных элементов и электролизеров – востребованных компонентов грядущей водородной энергетики. Повышение функциональных характеристик любых объектов и устройств, содержащих биметаллические наночастицы является значимой и актуальной задачей. В случае электрокатализаторов такая задача может быть решена на базе фундаментальных исследований, выясняющих взаимосвязь их состава и структуры с активностью и стабильностью. Настоящий проект направлен на изучение особенностей реорганизации структуры биметаллических PtM наночастиц (НЧ) в результате их естественной или искусственно организованной эволюции и изменений основных функциональных характеристик - активности и стабильности нанесенных Pt-содержащих электрокатализаторов для низкотемпературных топливных элементов, обусловленных этой реорганизацией. Возможность управления составом, размером, пространственным и размерным распределением наночастиц Pt или Pt-M, их формой и тонкой структурой (архитектурой) в ходе синтеза и дальнейшей постобработки открывает путь к получению нового поколения электрокатализаторов. Такие катализаторы должны содержать пониженное по сравнению с коммерческими аналогами количество платины в сочетании с высокими стабильностью и/или активностью, в первую очередь, в реакции электровосстановления кислорода. В результате реализации заявляемого проекта будут получены новые знания о характере связи состава/структуры фактически «работающих» в электрокатализе «превращенных» PtM наночастиц, а также определяемых ими стабильности и активности в токообразующих реакциях, с исходными (состояние «как получено») составом/структурой наночастиц и условиями их предобработки. Будут разработаны новые способы управления составом/структурой de-alloyed PtMx-y/C электрокатализаторов посредством их предобработки, следствием чего станет развитие поверхности наночастиц, обладающих высокой стабильностью и активностью в электрохимических реакциях восстановления кислорода, окисления водорода и метанола. Важным компонентом работы станет аттестация тонкой структуры (архитектуры) биметаллических наночастиц, на поверхности которых происходят токообразующие реакции. В результате выполнения проекта: 1) будут разработаны способы получения первичных PtM/C катализаторов и de-alloyed структур с пониженной массовой долей Pt; 2) получит дальнейшее развитие оригинальный подход к идентификации неоднородности распределения атомов разных металлов в биметаллических НЧ, базирующийся на совместном анализе результатов рентгеновской дифрактометрии, термического анализа кинетики высокотемпературного окисления нанесенных катализаторов и просвечивающей электронной микроскопии (с возможностью элементного картирования); 3) будет проведен анализ взаимосвязи состава/структуры функционирующих электрокатализаторов с их исходными («как получено») составом/структурой и условиями предобработки, а также с функциональными характеристиками (стабильностью, активностью в токопроизводящих реакциях, толерантностью к примесям и промежуточным продуктам реакций). Биметаллические электрокатализаторы реакций, протекающих в низкотемпературных топливных элементах известны давно. Тем не менее, заявляемая научная работа будет обладать существенной новизной, обусловленной: 1) новым подходом к получению электрокатализаторов, заключающемся в первоначальном синтезе PtM(x) наночастиц с высоким содержанием легирующего компонента и последующем селективном растворении значительной части этого компонента, приводящим к получению (нанопористых) PtM(x-y) структур с высокими стабильностью и активностью в электрохимических реакциях; 2) в работе будут использованы оригинальные (впервые предложенные именно нашим коллективом) способы воздействия на состав/структуру PtM НЧ при синтезе и обработке электрокатализаторов, а именно - получение биметаллических НЧ с градиентной структурой, использование атмосферы СО при синтезе/обработке наночастиц; 3) при изучении состава/архитектуры de-alloyed НЧ и анализе их размерного и пространственного (по поверхности носителя) распределения будет использован комплексный подход, связанный с сочетанием взаимодополняющих друг друга методов: рентгенофлюоресцентного анализа, ПЭМ (с элементным картированием), синхротронной рентгенографии и окислительной термогравиметрии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Беленов С.В., Меньщиков В.С., Невельская А.К., Алексеенко А.А., Могучих Е.А., Павлец А.С., Авакян Л.А. Influence of the evolution of the composition and structure of bimetallic nanoparticles in PtM/C catalysts on their activity and stability Сборник докладов VI Международной школы-конференции по катализу для молодых ученых "Каталитический дизайн: от исследований на молекулярном уровне к практической реализации" (год публикации - 2021)

2. Могучих Е.А., Пальчиков А.С. Изучение стабильности PtCu/С катализаторов с различной структурой носителя Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» (год публикации - 2021)

3. Барковский В.В., Авакян Л.А., Шемет Д.Б., Беленов С.В., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е., Бугаев Л.А. ПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА СТРОЕНИЯ PtCu НАНОЧАСТИЦ ПО ПАРНОЙ РАДИАЛЬНОЙ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АТОМОВ, ПОЛУЧЕННОЙ ИЗ EXAFS IX Международный молодежный симпозиум Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов. Моделирование эко-систем (год публикации - 2020)

4. Павлец А.С., Алексеенко А.А., Меньщиков В.С., Беленов С.В., Волочаев В.А., Панков И.Ю., Гутерман В.Е. Influence of Electrochemical Activation Conditions PtCu/C Alloy Electrocatalyst on its Activity Nanomaterials (год публикации - 2021)

5. Галушка С. С., Бескопыльный Е. Р., Беленов С. В. СИНТЕЗ ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ СО СТРУКТУРОЙ «ОБОЛОЧКА-ЯДРО» сборник статей VI Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия: достижения и перспективы» (год публикации - 2021)

6. Могучих Е.А., Пальчиков А.С., Алексеенко А.А. Исследование стабильности платиносодержащих электрокатализаторов сборник статей VI Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия: достижения и перспективы» (год публикации - 2021)

7. Беленов С.В., Меньщиков В.С., Невельская А.К., Могучих Е.В.,Павлец А.С.,Авакян Л.А. EFFECT OF THE STRUCTURE OF BIMETALLIC PtM NANOPARTICLES ON THE FUNCTIONAL CHARACTERISTICS OF CATALYSTS FOR FUEL CELLS материалы конференции Ion transport in organic and inorganic membranes-2021, материалы конференции Ion transport in organic and inorganic membranes-2021. 2021. P. 44-45. (год публикации - 2021)

8. Могучих Е.А., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е. ВЛИЯНИЯ МОДИФИКАЦИИ УГЛЕРОДНОГО НОСИТЕЛЯ И СТРУКТУРЫ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ НА СТАБИЛЬНОСТЬ ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕК ТРОКАТАЛИЗАТОРОВ материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100 - летию со дня рождения Я.А. Угая ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ И НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ ФАГРАН - 2021, материалы IX Всероссийской конференции с международным участием ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ И НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ ФАГРАН - 2021 Воронеж, Россия, 04.10.2021 - 07.10.2021, с 105 – 107. (год публикации - 2021)

9. Павлец А.С., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е. Influence PtCu/C catalyst structure on activity in the oxygen reduction reaction Материалы конференции Ion transport in organic and inorganic membranes-2021, материалы конференции Ion transport in organic and inorganic membranes-2021. 2021. P. 236-239. (год публикации - 2021)

10. Даниленко М.В., Гутерман В.Е. Кинетика фазообразования наночастиц платины, морфология и функциональные характеристики Pt/C катализаторов материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2021) посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая, материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2021) – Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2021. – 622 с. (год публикации - 2021)

11. Невельская А.К., Беленов С.В. Сравнение каталитической активности и стабильности PtCu/C электрокатализаторов после термической обработки материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100 - летию со дня рождения Я.А. Угая ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ И НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ ФАГРАН, материалы IX Всероссийской конференции с международным участием – Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2021. – с.113-115 (год публикации - 2021)

12. Беленов С.В., Меньщиков В.С., Невельская А.К., Павлец А.С., Могучих Е.А., Авакян Л.А. Влияние эволюции состава и структуры биметаллических частиц в PtM/C катализаторах на их активность и стабильность материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2021) посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая, материалы IX Всероссийской конференции с международным участием Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2021) г. Воронеж, 4–7 октября 2021 г., с 24-26. (год публикации - 2021)

13. Алексеенко А.А., Павлец А.С., Беленов С.В., Сафроненко О.И., Панков И.В., Гутерман В.Е. The electrochemical activation mode as a way to exceptional ORR performance of nanostructured PtCu/C materials Applied Surface Science, Volume 595, art. n.153533 (год публикации - 2022)
10.1016/j.apsusc.2022.153533

14. Павлец А.С., Алексеенко А.А., Никулин А.Ю. Influence of Acid Treatment on the Functional Characteristics of PtCu/C Electrocatalysts Springer Proceedings in Materials, Том 10, Страницы 25 - 35 (год публикации - 2021)
10.1007/978-3-030-76481-4_3

15. Беленов С.В. Водородная энергетика: настоящее и будущее Сборник научных статей по материалам VII Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых, посвященной памяти д.х.н. В.В. Лукова, г. Ростов-на-Дону, 19-21 мая 2022 г., c. 29-31 (год публикации - 2022)

16. Беленов С. В., Невельская А.К., Могучих Е.А., Меньщиков В.С. Оптимизация предобработки PtM/C катализаторов для низкотемпературных топливных элементов для повышения их функциональных характеристик тезисы докладов Девятой Всероссийской конференции с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», стр. 70 – 72 (год публикации - 2022)

17. Могучих Е.А. Павлец А.С., Паперж К.О., Алексеенко А.А. Высокоэффективные и стабильные платиносодержащие электрокатализаторы для НТЭ тезисы докладов Девятой Всероссийской конференции с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», стр. 137-138 (год публикации - 2022)

18. Павлец А.С., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е. Влияние активации на функциональные характеристики биметаллических катализаторов для низкотемпературных топливных элементов тезисы докладов Девятой Всероссийской конференции с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», стр. 145-147 (год публикации - 2022)

19. Меньщиков В.С., Беленов С.В. Платиновые катализаторы в реакции окисления метанола Труды 16-го Совещания с международным участием «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела, стр. 422-423. (год публикации - 2022)

20. Беленов С.В., Невельская А.К., Меньщиков В.С., Павлец А.С., Могучих Е.А., Авакян Л.А., Никулин А.Ю. Влияние предобработки PtCo/C и PtTCu/C катализаторов для низкотемпературных топливных элементов на их состав, структуру и активность в реакции восстановления кислорода Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «IV Байкальский материаловедческий форум», стр. 231-232. (год публикации - 2022)
10.31554-978-5-7925-0619-0-2022-4-689

21. Беленов С.В., Невельская А.К., Могучих Е.А., Меньщиков В.С., Павлец А.С. Предобработка PtM/C катализаторов для низкотемпературных топливных элементов как способ повышения их функциональных характеристик Тезисы докладов XIII Плесская международная научная конференция «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», с. 16. (год публикации - 2022)

22. Беленов С.В., Невельская А.К., Меньщиков В.С., Павлец А.С., Могучих Е.А., Никулин А.Ю. Предобработка PtM/C катализаторов для низкотемпературных топливных элементов как способ повышения их функциональных характеристик Тезисы докладов ХХ Всероссийского совещания «ЭЛЕКТРОХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ» ЭХОС-2022, с 68. (год публикации - 2022)

23. Герасимова И.А., Беленов С.В., Алексеенко Д.В. Влияние диапазона потенциалов при стресс-тестировании Pt/C электрокатализаторов при повышенной температуре Тезисы докладов ХХ Всероссийского совещания «ЭЛЕКТРОХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ» ЭХОС-2022, с. 69. (год публикации - 2022)

24. Невельская А.К., Беленов С.В. Предобработка Pt-содержащих электрокатализаторов как способ увеличения их активности и стабильности Тезисы докладов ХХ Всероссийского совещания «ЭЛЕКТРОХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ» ЭХОС-2022, с 70. (год публикации - 2022)

25. Могучих Е.А., Паперж К.О., Панков И.В., Беленов С.В., Алексеенко А.А. Durability of Commercial Catalysts within Relevant Stress Testing Protocols Catalysts, том 13, номер статьи 923 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13060923

26. Алексеенко А.А., Павлец А.С., Михейкин А.С., Беленов С.В., Гутерман В.Е. The integrated approach to studying the microstructure of de-alloyed PtCu/C electrocatalysts for PEMFCs Applied Surface Science, Volume 631, article number 157539 (год публикации - 2023)
10.1016/j.apsusc.2023.157539.

27. Авакян Л., Толчина Д., Барковский В., Беленов С., Алексеенко А., Шагинян А., Срабионян В., Гутерман В., Бугаев Л. Ultimate sensitivity of radial distribution functions to architecture of PtCu bimetallic nanoparticles Computational Materials Science, V. 208, art. n. 111326 (год публикации - 2022)
10.1016/j.commatsci.2022.111326

Публикации