Новые подходы к получению высокоэффективных катализаторов: управление разноуровневой организацией материалов; подбор эффективных носителей; поиск оптимального соотношения активности и стабильности; разработка методов исследования тонкой структуры платиносодержащих композитов

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 16-19-10115

НазваниеНовые подходы к получению высокоэффективных катализаторов: управление разноуровневой организацией материалов; подбор эффективных носителей; поиск оптимального соотношения активности и стабильности; разработка методов исследования тонкой структуры платиносодержащих композитов

Руководитель Гутерман Владимир Ефимович, Доктор химических наук

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

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова наночастицы, топливный элемент, электрокатализатор, платина, сплавы платины, оболочка – ядро, электровосстановление кислорода, электрокатализ, электроокисление метанола, неуглеродный носитель, коррозионная стабильность катализаторов.

Код ГРНТИ44.41.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы получения платиносодержащих электрокатализаторов нового поколения с пониженным содержанием платины. Актуальность исследований связанна с необходимостью значительного снижения стоимости электроэнергии, производимой низкотемпературными водородо-воздушными и метанольными топливными элементами. Это невозможно сделать без использования электрокатализаторов, сочетающих пониженное содержание драгоценного металла с высокой каталитической активностью и коррозионно-морфологической стабильностью материала. Фундаментальные аспекты работы состоят в получении новых знаний о микроструктуре, электрохимических свойствах и особенностях эволюции систем, содержащих различные типы двухкомпонентных (Pt, M1) наночастиц; о влиянии состава и микроструктуры нанесенных платиносодержащих электрокатализаторов на стабильность их функциональных характеристик; о методах управления микроструктурой наноразмерных катализаторов (при синтезе и посредством постобработки), позволяющих в одном и том же материале достичь сочетания оптимальных характеристик структуры на разных уровнях её организации. Прикладные аспекты работы состоят в получении высокоактивных платиносодержащих нанесенных катализаторов, содержащих 20 – 40% масс. платины при электрохимически активной площади поверхности 50 – 120 м2/г(Pt), в 1,5 – 2 раза превосходящих по своей стабильности коммерческие образцы Pt/C электрокатализаторов с аналогичной загрузкой платины. Научная новизна работы во многом обусловлена комплексным подходом к управлению составом и микроструктурой электрокатализаторов на разных уровнях её организации, в том числе на уровне архитектуры самих биметаллических наночастиц. Мы предлагаем новый подход, существенно расширяющий возможности рентгенографии для характиеризации биметаллических наночастиц со структурой оболочка-ядро, в основе которого лежит гипотеза о том, что при термической обработки Pt-M/C материалов с различной архитектурой наночастиц, изменение характеристических параметров, определяемых из рентгеновских дифрактаграмм, зависит не только от состава материала и среднего размера кристаллитов, но и от архитектуры биметаллических наночастиц. Мы полагаем, что формирование крупных биметаллических наночастиц с большим ядром из атомов d-металла M и относительно тонкой платиновой оболочкой будет способствовать повышению их термодинамической стабильности и усилению адгезии к носителю. Умеренная агрегация наночастиц M на этапе синтеза M/C не окажет существенного влияния на электрохимически активную площадь поверхности платины (ЭХАП) в Mx@Pt/C, но будет повышать стабильность катализатора за счет упрочнения связи наночастиц с носителем. Несмотря на пониженное содержание платины в электрокатализаторе, полученные материалы будут устойчивы к селективному растворению легирующего компонента, поскольку ядро будет защищено платиновой оболочкой. Важным аспектом исследования подобных объектов будет являться изучение их эволюции. Отметим, что мы намерены разработать методики синтеза стабильных наночастиц со структурой ядро-оболочка, позволяющие реализовать составы с высоким содержанием легирующего компонента (до M2.5Pt). Получить стабильный электрокатализатор такого состава на основе наночастиц со структурой твердого раствора невозможно. Мы планируем разработать методики получения кислотостойких неуглеродных носителей, состав, размер и микроструктура частиц которых будут оптимизированы в ходе реализации проекта. Использование таких носителей может привести к повышению как активности, так и стабильности платиносодержащих электрокатализаторов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Даниленко М.В., Давыдович Ю.В., Герасимова И.А., Новомлинский И.Н. Получение композиционных платиновых электрокаталитических материалов на смешанном углеродно-оксидном носителе Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики, Сборник трудов российской конференции, СПб., 20-22 ноября 2017 г.,, с.46-47 (год публикации - 2017)

2. Алексеенко А.А., Могучих Е.А., Сафроненко О.И., Гутерман В.Е. Durability of de-alloyed PtCu/C electrocatalysts International Journal of Hydrogen Energy, 43 (Articles in Press) (год публикации - 2018)
10.1016/j.ijhydene.2018.10.139

3. В.В. Прядченко, С.В. Беленов, Д.Б. Шемет, Н.В. Булат, В.В. Срабионян, Л.А. Авакян, В.А. Волочаев, А.С. Михейкин, К.Е. Бдоян, И. Жизак, В.Е. Гутерман, Л.А. Бугаев Effect of Thermal Treatment on the Atomic Structure and Electrochemical Characteristics of Bimetallic PtCu Core-Shell Nanoparticles in PtCu/C Electrocatalysts International Journal of Physical Chemistry C, 2018, 122 (30), 17199–17210. (год публикации - 2018)
10.1021/acs.jpcc.8b03696

4. Меньщиков В.С., Беленов С.В., Гутерман В.Е., Новомлинский И.Н., Невельская А.К., Никулин А.Ю. Электроокисление метанола на платиносодержащих катализаторах Электрохимия, т. 54, в. 11 (год публикации - 2018)

5. Киракосян С.А., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е., Новомлинский И.Н., Меньщиков В.С., Герасимова Е.В., Новиковский М.Н. Alloy/de-alloy PtCu/C катализаторы электровосстановления кислорода Электрохимия (год публикации - 2019)

6. Волочаев В.А., Новомлинский И.Н., Баян Е.М., Гутерман В.Е. Платиновый наноструктурный катализатор, нанесённый на диоксид титана Электрохимия (год публикации - 2019)

7. Скибина Л.М., Мауэр Д.К., Волочаев В.А., Гутерман В.Е. Наноструктурный платиносодержащий электрокатализатор на основе кобальтсодержащего углеродного носителя Электрохимия (год публикации - 2019)

8. Гутерман В.Е., Алексеенко А.А., Могучих Е.А., Киракосян С.А., Павлец А.С. De-alloyed M@Pt/C Electrocatalysts for PEMFC Based on Nanoparticles of Gradient Structure 69th Annual ISE Meeting, Bologna, Italy, Sept. 2-7, p. 1292 (год публикации - 2018)

9. Беленов С.В., Меньщиков В.С., Невельская А.К., Прядченко В.В., Авакян Л.А., Срабионян В.В., Герасимова И.А. PtCuAu/C catalysts of different structures for oxygen electroreduction and methanol electrooxidation reactions 69th Annual ISE Meeting, Bologna, Italy, Sept. 2-7, 2018, p. 1131 (год публикации - 2018)

10. Могучих Е.А., Алексеенко А.А., Павлец А.С., Паперж К.О., Гутерман В.Е. Effect of the composition and structure of Pt- containing electrocatalysts on their durability under various conditions of stress-test Conference Proceedings “International conference Ion transport in organic and inorganic membranes”. Sochi, 21-26 May 2018, pp. 183-185 (год публикации - 2018)

11. Беленов С.В., Невельская А.К., Меньщиков В.С., Прядченко В.В., Шемет Д.В. Post-treatment of Pt-M(M = Co, Ni)/c electrocatalysts with different distribution of components in nanoparticles: evolution of structure and activity Conference Proceedings “International conference Ion transport in organic and inorganic membranes”. Sochi, 21-26 May 2018, pp. 48-50 (год публикации - 2018)

12. Павлец А.С., Алексеенко А.А. Изучение влияния структуры PtCu/C- электрокатализаторов на их электрохимические характеристики Материалы XXVIII Менделеевской школы-конференции молодых ученых, Новосибирск, 13-18 мая 2018, с. 52 (год публикации - 2018)

13. Павлец А.С., Алексеенко А.А. Влияние способа синтеза на электрохимические характеристики PtNi/C катализаторов Материалы IX научной конференции молодых ученых «Инновации в химии: достижения и перспективы – 2018», Москва, 9-13 апр. 2018, с. 338 (год публикации - 2018)

14. Новомлинский И.Н., Даниленко М.В., Герасимова И.А., Гутерман В.Е. Влияние состава оксидно-углеродного носителя на функциональные характеристики электрокатализаторов Материалы 14-го Международного Совещания (Конференции) "Фундаментальные проблемы ионики твердого тела", Черноголовка, 9-13 сентября 2018 г., с. 132 (год публикации - 2018)

15. Давыдович Ю.В., Волочаев В.А., Новомлинский И.Н., Баян Е.М., Гутерман В.Е. Сравнительное изучение электрохимических характеристик нанокластеров платины на диоксиде олова и диоксиде титана Материалы VIII Всероссийской конференции с международным участием «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН)», Воронеж, 8-11 окт. 2018, С. 101-102 (год публикации - 2018)

16. Беленов С.В., Меньщиков В.С., Невельская А.К., Прядченко В.В., Шемет Д.Б. Влияние термической обработки на структуру и активность PtM(Cu,Ni,Co)/C электрокатализаторов с различной архитектурой наночастиц Труды 14-ого международного совещания «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела». Черноголовка, 9-13 сентября 2018 г, С. 131 (год публикации - 2018)

17. Меньщиков В.С., Беленов С.В. Триметаллические платиносодержащие катализаторы, легированные золотом, в реакции электроокисления спиртов Сборник тезисов XIX Всероссийского совещания с международным участием «Электрохимия органических соединений». 2018., с. 137 (год публикации - 2018)

18. Могучих Е.А., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е. Влияние архитектуры биметаллических наночастиц на степень деградации платиносодержащих электрокатализаторов Сборник тезисов XIX Всероссийского Совещания с международным участием – «Электрохимия органических соединений» ЭХОС-2018, 3 – 6 октября 2018г., НПИ г. Новочеркасск, с. 140-141 (год публикации - 2018)

19. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А., Новомлинский И.Н., Волочаев В.А. Платиносодержащие электрокатализаторы с высокой активностью и стабильностью Труды 14-ого международного совещания «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела». Черноголовка, 9-13 сентября 2018 г, с. 130 (год публикации - 2018)

20. Алексеенко А.А., Могучих Е.А., Киракосян С.А., Спиридонова О.С. Effect of acid treatment on the activity and stability of PtCu/C electrocatalysts Conference Proceedings “International conference Ion transport in organic and inorganic membranes”. Sochi, 21-26 May 2018, с. 29-30 (год публикации - 2018)

21. Алексеенко А.А., Павлец А.С. Влияние метода синтеза на электрохимические характеристики Pt(Cu)/C материалов Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики, Сборник трудов российской конференции, СПб., 20-22 ноября 2017 г.,, с. 54-55 (год публикации - 2017)

22. Гутерман В.Е., Алексеенко А.А., Беленов С.В., Могучих Е.А., Павлец А.С. Pt-Cu/C электрокатализаторы на основе наночастиц с градиентной архитектурой Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики, Сборник трудов российской конференции, СПб., 20-22 ноября 2017 г.,, с. 41 (год публикации - 2017)

23. Волочаев В.А., Давыдович Ю.В., Могучих Е.А. Оптимизация состава электрокатализатора с носителем на основе оксида олова (IV) для низкотемпературных топливных элементов Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики, Сборник трудов российской конференции, СПб., 20-22 ноября 2017 г.,, с. 62 (год публикации - 2017)

24. Алексеенко А.А., Гутерман В.Е., Волочаев В.А., Табачкова Н.Ю. An influence of CO-atmosphere during synthesis on some characteristics of Pt/C catalyst for low temperature fuel cell 13th International Meeting “Fundamental problems of solid state ionics”, Chernogolovka, June 27 - July 01 2016, Proceedings of Meeting, p. 93. (год публикации - 2016)

25. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А., Рюи Лин, Табачкова Н.Ю., Сафроненко О.И. Activity and stability of Pt/C and Pt-Cu/C electrocatalysts: in search of the harmony Journal of The Electrochemical Society (год публикации - 2017)

26. Волочаев В.А., Беленов С.В., Высочина Л.Л., Табачкова Н.Ю., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е. Возможности идентификации структур типа ядро-оболочка в катализаторах Pt-M методом порошковой дифракции III Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» [Электронный ресурс]: тезисы докладов конгресса, 22‐26 мая 2017, Нижний Новгород / ИК СО РАН, с.196-197 (год публикации - 2017)

27. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Табачкова Н.Ю., Алексеенко А.А. Стабильность и активность нанесенных Pt/C и Pt-M/C электрокатализаторов для низкотемпературных топливных элементов: роль морфологии и архитектуры наночастиц III Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» [Электронный ресурс]: тезисы докладов конгресса, 22‐26 мая 2017, Нижний Новгород / ИК СО РАН, с. 61-62 (год публикации - 2017)

28. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А. Activity and stability of Pt/C and Pt-M/C electro catalysts: the search of harmony 13th International Meeting “Fundamental problems of solid state ionics”, Chernogolovka, June 27 - July 01 2016, Proceedings of Meeting, p. 158 (год публикации - 2016)

29. Могучих Е. А., Алексеенко А. А., Гутерман В. Е., Новиковский Н. М., Табачкова Н. Ю., Меньщиков В.С. Влияние состава и структуры платиносодержащих электрокатализаторов на их стабильность при различных условиях стресс-тестирования Электрохимия (год публикации - 2018)

30. Гутерман В.Е, Алексеенко А.А., Беленов С.В. The relationship between stability and activity for Pt/C and PtM/C electrocatalysts: the role of morphology and architecture of nanoparticles The Energy and Materials Research Conference - EMR2017 Lisbon (Portugal), 5-7 April 2017, p.75 (год публикации - 2017)

31. Алексеенко А.А., Гутерман В.Е., Беленов С.В., Меньщиков В.С., Табачкова Н. Ю., Сафроненко О.И., Могучих Е.А. Pt/C Electrocatalysts Based on the Nanoparticles with the Gradient Structure International Journal of Hydrogen Energy (год публикации - 2018)

32. Волочаев В.А., Алексеенко А.А., Беленов С.В., Табачкова Н.Ю., Гутерман В.Е. Approaches comparison for powder diffraction data analysis of Pt/C-based nanostructured catalists 13th International Meeting “Fundamental problems of solid state ionics”, Chernogolovka, June 27 - July 01 2016, Proceedings of Meeting, p.196-197 (год публикации - 2016)

33. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А., Табачкова Н.Ю., Волочаев В.А. Supported Pt-containing Catalysts: Durability Against Activity 18th Topical Meeting of the ISE, Oxygen Electrocatalysis in Chemical Energy Conversion and Storage Technologies, 8 - 11 March 2016, Gwangju, South Korea, p.89 (год публикации - 2016)

34. Алексеенко А. А., Беленов С.В., Меньщиков В.С. , Гутерман В.Е. Pt(Cu)/C электрокатализаторы с пониженным содержанием платины Электрохимия, т. 54 (год публикации - 2018)

35. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А. Pt/C и PtM/C электрокатализаторы для низкотемпературных топливных элементов: стабильность или активность? Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики, Сборник трудов российской конференции, СПб., 21-23 ноября 2016 г., c.51-52 (год публикации - 2016)

36. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А., Табачкова Н.Ю., Волочаев В.А. О связи активности и стабильности нанесенных платиноуглеродных электрокатализаторов Электрохимия (год публикации - 2017)

37. Беленов С.В., Меньщиков В.С., Невельская А.И., Прядченко В.В., Шемет Д.Б., Срабионян В.В., Алексеенко А.А., Киракосян С.А., Гутерман В.Е. Post-treatment of Pt-M (M=Cu, Co, Ni)/C electrocatalysts with different distribution of metals in nanoparticles: evolution of structure and activity Advanced Materials - Proceedings of the International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications”, PHENMA 2017, Springer Proceedings in Physics, Heidelberg, New York, Dordrecht, London: Springer Cham. (год публикации - 2018)

38. Алексеенко А.А., Беленов С.В., Волочаев В.А., Меньщиков В.С., Могучих Е.А., Табачкова Н.Ю. Получение и исследование каталитически активных материалов, содержащих биметаллические наночастицы с архитектурой «оболочка-ядро» III Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» [Электронный ресурс]: тезисы докладов конгресса, 22‐26 мая 2017, Нижний Новгород / ИК СО РАН, с. 478-479 (год публикации - 2017)

39. Алексеенко А.А., Гутерман В.Е., Табачкова Н.Ю., Сафроненко O.И. Impact of the atmosphere composition in the process of synthesis on the morphology and electrochemical performance of Pt/C electrocatalysts Journal of Solid State Electrochemistry (год публикации - 2017)

40. Волочаев В.А., Беленов С.В., Алексеенко А.А., Гутерман В.Е. О возможности распознавания архитектуры двухкомпонентных Pt-M наночастиц Российские Нанотехнологии (год публикации - 2017)

41. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А., Табачкова Н. Ю., Волочаев В.А., Киракосян С.А., Меньщиков В.С. MxPt/C electrocatalysts based on bimetallic nanoparticles with non-uniform distribution of components 6th Regional symposium on Electrochemistry of South-East Europe, Balatonkenese, Hungary, 11-15 June, 2017, с.64-65 (год публикации - 2017)

42. Беленов С.В., Гутерман В.Е., Табачкова Н.Ю., Могучих Е.А., Алексеенко А.А., Волочаев В.А., Новиковский Н.M. Получение и исследование структурных и функциональных характеристик PtCu/С электрокатализаторов с различной структурой Электрохимия (год публикации - 2018)

43. Гутерман В.Е., Беленов С.В., Алексеенко А.А. On the relation between the stability of Pt/C catalysts and their activity in the reaction of oxygen electroreduction International Conference “Ion transport in organic and inorganic membranes”, Conference Proceedings. Krasnodar, 25 - 30 of May, Krasnodar, p. 120-121 (год публикации - 2016)

Публикации