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 24-79-00279
НазваниеРазработка новых подходов к высокотемпературному синтезу PtCo/C катализаторов
Руководитель Невельская Алина Кирилловна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл
Конкурс №97 - Конкурс 2024 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, гетерогенный катализ, топливный элемент с протонообменной мембраной, биметаллические наночастицы, высокотемпературный синтез, термическая обработка, реакция электровосстановления кислорода, стабильность электрокатализаторов
Код ГРНТИ44.31.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на разработку новых подходов к высокотемпературному синтезу высокоэффективных PtCo/C катализаторов для низкотемпературных топливных элементов. На сегодняшний день проблема получения активных и стабильных катализаторов с пониженным содержанием платины, высокой удельной активностью и повышенным ресурсом работы является актуальной для создания конкурентоспособных низкотемпературных топливных элементов. Снижение стоимости производимой электроэнергии и самих топливных элементов может быть достигнуто как за счет уменьшения содержания платины в каталитических слоях при сохранении высокой активности, так и за счет повышения стабильности катализатора и, как следствие, всего каталитического слоя. Одним из путей решения данной проблемы является создание катализаторов с биметаллическими наночастицами, нанесенными на высокодисперсный углеродный носитель. Известно, что легирование платины различными d-металлами может приводить не только к снижению содержания платины в катализаторе, но и к повышению его удельной активности и стабильности. Несмотря на многочисленные исследования, разработка простых, технологичных и эффективных способов синтеза биметаллических платиносодержащих катализаторов остается актуальной научно-технической задачей.
Для синтеза высокоэффективных PtCo/C катализаторов впервые предложено систематически изучить влияние микроструктуры Pt/C материалов, а именно средний размер и размерное распределение наночастиц, равномерность распределения наночастиц платины по поверхности углеродных носителей и содержание платины в образце, используемых в качестве промежуточного компонента при синтезе PtCo/C катализаторов.
Нами предложена гипотеза, которая состоит в том, что использование Pt/C материалов с большей равномерностью распределения наночастиц по поверхности углеродного носителя по сравнению с используемыми в настоящее время стандартными коммерческими Pt/C материалами позволит получить PtCo/C катализаторы с лучшими функциональными характеристиками, по сравнению с имеющимися на рынке коммерческими аналогами.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Важной частью топливного элемента является платиносодержащие электрокатализаторы. Снижение стоимости производимой электроэнергии и самих топливных элементов может быть достигнуто как за счет уменьшения содержания платины в каталитических слоях при сохранении высоких активности, так и за счет повышения стабильности катализатора и, как следствие, всего каталитического слоя. Одним из путей решения данной проблемы является легирование платины различными d-металлами. Это может приводить не только к снижению содержания платины в катализаторе, но и к повышению его удельной активности и стабильности. Несмотря на многочисленные исследования, разработка простых, технологичных и эффективных способов синтеза биметаллических платиносодержащих катализаторов остается актуальной научно-технической задачей. Целью данного исследования является разработка простого и технологичного метода синтеза PtCo/C электрокатализаторов, сочетающего пониженное содержание драгоценного металла, высокую удельную активность и коррозионно-морфологическую стабильность. Одним из таких способов может являться высокотемпературный метод синтеза биметаллических катализаторов на основе модельных Pt/C материалов, характеризующихся равномерным распределением наночастиц по поверхности углеродного носителя, а также высокими функциональными характеристиками. Установлено, что PtCo/C катализатор, полученный на основе Pt/C материала с массовой долей платины 20% с равномерным распределением наночастиц платины, характеризуется большей величиной площади электрохимически активной поверхности, а также более чем в 6 раз превышает массовую активность катализатора, полученного на основе Pt/C материала с неравномерным распределением наночастиц. Так, высокотемпературным методом синтеза были получены PtCo/C катализаторы с различной массовой долей платины от 10 до 40% включая PtCo/C катализаторы на допированном азотом носителе. Исследование влияния температуры высокотемпературного синтеза показало, что с увеличением температуры синтеза в диапазоне 600–800 ˚С наблюдается увеличение размера кристаллитов, увеличение степени сплавления металлической компоненты и снижение величины площади электрохимически активной поверхности. Установлено, что синтез в инертной атмосфере с добавкой водорода 5% при температурах 600–700 ˚С в течение 1 часа позволяет получить PtCo/C катализаторы с оптимальной степенью сплавления металлической компоненты и, вместе с тем, высокими величинами площади электрохимически активной поверхности и активности в реакции электровосстановления кислорода. Так, показано, что максимальная каталитическая активность в РВК, в 2.3–5.7 раз превышающая значения масс-активности для коммерческих Pt/C аналогов, наблюдается для PtCo/C материалов с содержанием платины 10 и 20%. При дальнейшем увеличении массовой доли металлов каталитическая активность материалов снижается. Изучение активности PtCo/C катализаторов на модифицированном и немодифицированном носителе с массовой долей платины 20%, полученных высокотемпературным методом синтеза при температуре 700 ˚С, в составе мембранно-электродного блока показали максимальную удельную мощность 658 мВт/см2 в случае немодифицированного и 683 мВт/см2 в случае модифицированного углеродного носителя, что превышает уровень коммерческих аналогов. Это подтверждает перспективность практического применения полученных PtCo/C катализаторов. На следующем этапе исследования будут изучены структурные характеристики PtCo/C материалов различного состава, а также электрохимическое поведение лучших катализаторов, включая их стабильность.
Публикации
1. Невельская А.К., Гаврилова А.А., Беленов С.В. Влияние типа прекурсора на структуру и электрохимические характеристики PtCo/C электрокатализаторов после термической обработки Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Функциональные материалы: Синтез. Свойства. Применение» YOUNG ISC 2024 (3–6 декабря 2024 года, Санкт-Петербург) (год публикации - 2024)
2. Невельская А.К., Гаврилова А.А., Беленов С.В. Исследование влияния условий проведения высокотемпературного синтеза на микроструктуру и электрохимическое поведение PtCo/C электрокатализаторов V Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» (21–26 апреля 2025 года. г. Санкт-Петербург) (год публикации - 2025)
3. Гаврилова А.А., Невельская А.К., Беленов С.В. Высокотемпературный синтез ряда PtCo/C электрокатализаторов и их функциональные характеристики Всероссийская VII научно-практическая конференция «Водородная маевка» (26–30 апреля 2025 г., Краснодарский край, п. Мезмай) (год публикации - 2025)
4. Гаврилова А.А., Беленов С.В., Мауэр Д.К., МогучихЕ.А., Невельская А.К., Бескопыльный Е.Р. Синтез PtCo/C электрокатализаторов и изучение их функциональных характеристик XXXII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2025» (11-25 апреля 2025 г, Москва) (год публикации - 2025)
5. Невельская А.К., Беленов С.В., Гаврилова А.А., Паперж К.О., Лянгузов Н.В., Панков И.В., Коханов А.А. Изучение влияния микроструктуры Pt/С материалов на электрохимические характеристики полученных на их основе PtCo/С электрокатализаторов Конденсированные среды и межфазные границы (год публикации - 2025)