Новые подходы к повышению стабильности и оптимизация методов стресс-тестирования электрокатализаторов для топливных элементов с полимерной мембраной

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 21-79-00258

НазваниеНовые подходы к повышению стабильности и оптимизация методов стресс-тестирования электрокатализаторов для топливных элементов с полимерной мембраной

Руководитель Алексеенко Анастасия Анатольевна, Кандидат химических наук

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

Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 электрокатализаторы, топливный элемент с протонообменной мембраной, стабильность электрокатализаторов, деградация электрокатализаторов, стресс-тест, наночастицы платины, платимомедные наночастицы, углеродный носитель, допированные углеродные материалы, реакция восстановления кислорода

Код ГРНТИ44.31.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен решению двух взаимосвязанных задач: 1) созданию новых Pt-содержащих электрокатализаторов (ЭК) для низкотемпературных топливных элементов, обладающих более высокой стабильностью по сравнению с коммерческими Pt/C аналогами и при этом не уступающих последним по активности в реакции электровосстановления кислорода; 2) оптимизации существующих экспресс-методик определения стабильности катализаторов с целью более достоверной и воспроизводимой оценки по сравнению с используемыми. Актуальность проекта обусловлена потребностью развития фундаментальных представлений о закономерностях процессов и явлений, протекающих при функционировании нанесенных ЭК, причинах постепенной деградации платиносодержащих ЭК и способах повышения их долговечности. Другой причиной, обусловливающей актуальность проекта, является практическая потребность в адекватной методике экспресс-оценки стабильности платиноуглеродных ЭК, а также потребность в создании нового поколения электрокатализаторов, характеризуемых более высокими функциональными характеристиками по сравнению с известными на сегодня аналогами. Научная новизна определяется двумя аспектами исследования. В настоящее время стабильность (долговечность) электрокатализаторов при стресс-тестировании в электрохимической ячейке чаще всего оценивается посредством сравнения характеристик катализатора (площади электрохимически активной поверхности (ЭХАП), реже – активности в реакции электровосстановления кислорода (РВК)) до начала и после проведения определенного количества циклов линейной развертки потенциала в диапазоне определенных значений: 0.6 – 1.0 В («мягкий» режим) или 0.6 – 1.4 В («жесткий режим»). Проведение данных протоколов тестирования всегда является длительным (не менее 20 часов) циклированием в бескислородной атмосфере. При этом важным являются условия проведения стресс-тестирований: диапазон потенциалов, скорость сканирования, количество циклов, атмосфера. По нашему мнению, возможно использование кислородной атмосферы для приближения условий к реальным при тестировании в МЭБе, а также проведение дополнительной стадии стандартизации после окончания стресс-тестирования для определения обратимости деградации катализатора (возможности его «реанимирования»). Важным условием является и изменение диапазонов потенциалов на стадии стандартизации (начальная стадия всех электрохимических измерений) биметаллических электрокатализаторов. Данный параметр оказывает влияние на характер селективного растворения атомов легирующего компонента, а также реорганизацию структуры биметаллических наночастиц. Использование оптимизированной методики стресс-тестирования поможет решить проблему выбора катодных электрокатализаторов, сочетающих активность и стабильность. Однако это не решит проблему разработки нового поколения электрокатализаторов, обладающих более высокими функциональными характеристиками по сравнению с материалами, используемыми в настоящее время. Новизна настоящего проекта будет также заключаться в создании новых электрокатализаторов, превосходящих известные на сегодняшний день коммерческие Pt/C материалы по производительности в токообразующих реакциях (по сочетанию высоких значений активности и стабильности). Эта часть проекта будет реализована а) посредством использования разработанного и запатентованного нами ранее способа синтеза Pt/C катализаторов, позволяющего получить материалы с малым размером наночастиц (менее 2 нм) и узкой дисперсностью по размеру. На сегодняшний день мы понимаем, как получить катализаторы с равномерно распределенными на поверхности углеродного носителя наночастицами платины, что дает возможность существенно увеличить стабильность за счет упорядоченности системы; б) путем использования нового, разработанного нами методом синтеза биметаллических катализаторов с пониженным содержанием платины, позволяющего получать PtM и de-alloyed PtM (M=Cu, возможно Ni) наночастицы, нанесенные на углеродный носитель и характеризующиеся повышенной стабильностью и активностью в реакции электровосстановления кислорода. Применение различных углеродных носителей (Vulcan XC-72, KetjenBlack и др.), в том числе N-допированного (KetjenBlack-600-N) позволит получить материалы более устойчивые к деградации в длительных стресс-тестированиях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Паперж К.О., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е. INFLUENCE OF UV RADIATION DURING LIQUID-PHASE SYNTHESIS ON THE STRUCTURAL AND ELECTROCHEMICAL CHARACTERISTICS OF Pt/C CATALYSTS ION TRANSPORT IN ORGANIC AND INORGANIC MEMBRANES-2021 Conference Proceedings, стр.230-232 (год публикации - 2021)

2. Алексеенко А.А., Паперж К.О., Павлец А.С., Могучих Е.А., Волочаев В.А., Герасимова Е., Гутерман В.Е. CONTROL OF ACTIVITY AND STABILITY OF PLATINUM-CONTAINING NANOSTRUCTURAL CATALYSTS FOR LOW TEMPERATURE FUEL CELLS ION TRANSPORT IN ORGANIC AND INORGANIC MEMBRANES-2021 Conference Proceedings, стр 25-27 (год публикации - 2021)

3. Павлец А.С. Влияние условий предобработки на функциональные характеристики платино-медных электрокатализаторов ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ И НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая, Стр 116 - 118 (год публикации - 2021)

4. Алексеенко А.А., Павлец А.С., Могучих Е.А., Толстунов М., Грибов Е.Н., Беленов С.В., Гутерман В.Е. Platinum-Containing Nanoparticles on N-Doped Carbon Supports as an Advanced Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction Catalysts, V. 12, P. 414-428 (год публикации - 2022)
10.3390/catal12040414

5. УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Труды 16-го Совещания с международным участием. Посвящается памяти профессора Укше Евгения Александровича (1928-1993). Черноголовка, 2022, Труды 16-го Совещания с международным участием. Посвящается памяти профессора Укше Евгения Александровича (1928-1993), Черноголовка, 2022, С. 184-184 (год публикации - 2022)

6. Алексеенко А.А., Беленов С.В., Павлец А.С., Паперж К.О., Могучих Е.А., Баян Ю.А., Кожокарь Е.Л., Алексеенко Д.В., Гутерман В.Е. СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПРОТОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ Сборник трудов Первого Всероссийского семинара «Электрохимия в распределенной и атомной энергетике» (посвященный 90-летию Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова), Сборник трудов Первого Всероссийского семинара «Электрохимия в распределенной и атомной энергетике» (посвященный 90-летию Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова), 2022, С. 155-158 (год публикации - 2022)

7. Алексеенко А.А., Беленов С.В., Могучих Е.А., Павлец А.С., Паперж К.О., Даниленко М.В., Грибов Е.Н., Баян Ю.А., Кожокарь Е.Л. ADVANCED METHODS FOR THE MICROSTRUCTURE CONTROL OF PT-BASED CATALYSTS TO INCREASE THEIR ACTIVITY 10TH ANNIVERSARY INTERNATIONAL CONFERENCE ON "PHYSICS AND MECHANICS OF NEW MATERIALS AND THEIR APPLICATIONS" (PHENMA 2021-2022), 10TH ANNIVERSARY INTERNATIONAL CONFERENCE ON "PHYSICS AND MECHANICS OF NEW MATERIALS AND THEIR APPLICATIONS" (PHENMA 2021-2022), 2022, P. 42-43 (год публикации - 2022)

8. А.А.Алексеенко, А.С.Павлец, К.О.Паперж, Е.А.Могучих, Ю.А.Баян, Е.Л.Кожокар, Д.В.Алексеенко, В.Е.Гутерман Создание высокоэффективных катализаторов для топливных элементов с протонообменной мембраной Сборник трудов конференции "ДЕВЯТАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ИХ ОСНОВЕ», Сборник трудов ДЕВЯТОЙ ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ИХ ОСНОВЕ», 2022, С. 60-61 (год публикации - 2022)
10.26201/ISSP.2022/FC.20

9. Алексеенко А.А., Павлец А.С., Паперж К.О., Могучих Е.А. ПОДХОДЫ К ПОВЫШЕНИЮ АКТИВНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ВОДОРОДО-ВОЗДУШНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Тезисы докладов ХХ Всероссийского совещания «ЭЛЕКТРОХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ» ЭХОС-2022, Новочеркасск, Тезисы докладов ХХ Всероссийского совещания «ЭЛЕКТРОХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ» ЭХОС-2022 18-22 октября 2022 г., стр. 72 (год публикации - 2022)

10. Кирилл Паперж, Елизавета Могучих, Илья Панков, Сергей Беленов, Анастасия Алексеенк Effect of AST Atmosphere on Pt/C Electrocatalyst Degradation Inorganics, 11(6), C. 237 (год публикации - 2023)
10.3390/inorganics11060237

Публикации