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 24-79-00280
НазваниеОптимизация состава и структуры катализаторов с пониженным содержанием иридия для анодов электролизеров с протонообменной мембраной с целью повышения активности и стабильности каталитических материалов в реакции выделения кислорода
Руководитель Могучих Елизавета Антоновна, 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, электролизер с протонообменной мембраной, стабильность электрокатализаторов, иридиевые катализаторы, наночастицы металлов платиновой группы, деградация электрокатализаторов, стресс-тестирование, углеродный носитель,реакция выделения кислорода.
Код ГРНТИ44.31.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Для получения «зеленого» водорода чаще всего применяют технологию электролиза с протонообменной мембраной (ПОМ). Однако медленная кинетика реакции выделения кислорода и недостаточная долговечность катализатора снижают эффективность установок и широкомасштабное применение электролизеров. Большое внимание в последние годы уделено разработке высокоэффективных, долговечных и экономичных электрокатализаторов реакции выделения кислорода. В условиях работы анода ПОМ-электролизера появляется высокое перенапряжение, которое совместно с кислой средой требует присутствия только высокостабильных материалов. Драгоценный металл Ir и его оксиды считаются наиболее подходящими материалами, проявляющими повышенную каталитическую активность и коррозионно-морфологическую стабильность в условиях работы анода электролизера. На сегодняшний день мировым трендом в области создания электрокатализаторов является поиск материалов с повышенной стабильностью и сниженным содержанием редкого элемента (иридия). Данный проект направлен на разработку и создание новых би- и три металлических Ir-содержащих электрокатализаторов для анода ПОМ-электролизера, обладающих более высокой стабильностью по сравнению с коммерческими IrOx и Ir аналогами и при этом не уступающих последним по активности в реакции выделения кислорода. Второй задачей является определение оптимальных методов оценки функциональных характеристик (площадь электрохимически активной поверхности, активность в реакции выделения кислорода) катализаторов в трёхэлектродной ячейке, оптимизация 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 электрокатализаторов и способах повышения их активности в реакции выделения кислорода и стабильности. Другой причиной, обусловливающей актуальность проекта, является практическая потребность в подборе оптимального состава каталитических чернил и метод формирования каталитического слоя на торце вращающегося дискового электрода, которые будут обеспечивать воспроизводимость получаемых данных в ходе электрохимического эксперимента. Определение условий оценки активности в реакции выделения кислорода и оптимизация протоколов стресс-тестирования Ir-содержащих катализаторов позволит получить достоверные результаты с возможностью сравнения с аналогами. Важной практической значимостью обладает получение нового поколения Ir-содержащих электрокатализаторов, обладающих более высокими функциональными характеристиками по сравнению с известными коммерческими аналогами.
Научная новизна определяется двумя аспектами исследования:
- в создании новых электрокатализаторов, превосходящих известные на сегодняшний день коммерческие IrOx и Ir материалы по производительности в токообразующих реакциях (по сочетанию высоких значений активности в реакции выделения кислорода и стабильности).
- в оптимизации построения электрохимического эксперимента в трехэлектродной ячейке для экспресс оценки функциональных характеристик: материалов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Электролизеры с протонообменной мембраной являются важным технологическим компонентом в развитии водородной энергетики. Ключевую роль в этих устройствах выполняют электрокатализаторы, на которых протекают основные реакции: выделения кислорода (РВК) - анодная реакция, и реакция выделения водорода, которая протекает на катоде. Наибольший научный интерес вызывает анодная реакции выделения кислорода, поскольку она протекает при высоком перенапряжении и кинетически затруднена. Наиболее эффективными анодными катализаторами являются материалы, представляющие собой наночастицы иридия или его оксида. Снижение стоимости электролизеров может быть достигнуто за счет уменьшения содержания иридия в катализаторе при сохранении его каталитической активности и стабильности. Активность и стабильность электрокатализаторов напрямую зависят от их микроструктуры и состава. Одним из способов изменения этих параметров является легирование иридия различными металлами. Перспективным подходом является создание би- и триметаллических систем на основе Ir–M (M = Ru, Pt и др.), которые могут демонстрировать синергетический эффект, улучшая каталитическую активность и снижая расход иридия. Использование углерода в качестве носителя для электрокатализаторов так же позволяет управлять микроструктурой материалов, что способствует повышению функциональных характеристик катализаторов и снижению количества дорогостоящего иридия. Целью данного проекта является разработка новых би- и три металлических Ir-содержащих электрокатализаторов для анода электролизера, обладающих следующими функциональными характеристиками: площадь поверхности и активность в реакции выделения кислорода, не уступающие коммерческому Ir-black аналогу. В процессе реализации проекта было выявлено, что природа восстановителя оказывает значительное влияние на состав и микроструктуру Ir и IrPt электрокатализаторы. Материалы IrPt-Э и Ir-ЭГ, в составе которых было установлено наличие фазы оксида иридия, характеризовались высокой каталитическую активностью в реакции выделения кислорода 10.6 и 17.1 мА/см2, что превышает значение коммерческого Ir-black аналога в 2 и 3.2 раза. Массовая активность триметаллического IrRuPt катализатора, c содержанием Ir менее 50%, составляет 314 мА/мг(Ir), что в 2 раза выше активности коммерческого Ir-black материала. Было показано, что использование углерода в качестве носителя, позволяет получить высокоактивные Ir/C и IrPt/C катализаторы с пониженным содержанием иридия от 30.4 до 60%. Были определены составы IrPt/C каталитических чернил, стабильность которых составляла до 120 часов. На основании проведенных исследований было установлено время хранения каталитических чернил на основе IrPt материалов. Оптимизация состава и условий формирования каталитического слоя на торце вращающегося дискового электрода позволила увеличить воспроизводимость данных, повысив достоверность результатов электрохимических исследований.
Публикации
1. Кожокарь Е.Л., Павлец А.С., Могучих Е.А., Алексеенко А.А. Получение высокоактивного IrPt электрокатализатора с пониженным содержанием иридия для анода электролизера с протонообменной мембраной Сборник тезисов докладов секции "Физико-химическая инженерия" Международной конференции «ЛОМОНОСОВ – 2025». 2025 (год публикации - 2025)
2.
Могучих Е.А., Павлец А.С., Кожокарь Е.Л., Соловьева А.А., Каханов А.А., Панков И.В.
Influence of Activation Conditions on the OER Activity of Iridium-Containing Catalysts
Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-87677-6
3. Могучих Е.А., Павлец А.С., Кожокарь Е.Л., Соловьева А.А., Коханов А.А., Алексеенко А.А. Высокоэффективные иридий-содержащие катализаторы для анода электролизера Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Функциональные материалы: Синтез. Свойства. Применение» YOUNG ISC 2024 СБОРНИК ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ, Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Функциональные материалы: Синтез. Свойства. Применение» YOUNG ISC 2024: Тезисы докладов конференции, г. Санкт-Петербург, 3–6 декабря 2024 г. – СПб: ООО «Издательство «ЛЕМА», 2024. – 276 с. ISBN 978-5-00105-974-5 (год публикации - 2024)
4. Могучих Е.А., Павлец А.C., Кожокарь Е.Л., Соловьева А.А., Алексеенко А.А. Высокоэффективные иридий содержащие электрокатализаторы для анода электролизёра с протонно обменной мембраной V Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» 21 - 26 апреля 2025 г., г. Санкт-Петербург Институт катализа СО РАН, 2025 , РОСКАТАЛИЗ.V Российский конгресс по катализу : Сборник тезисов (21-26 апреля 2025 г., Санкт-Петербург, Россия) [Электронный ресурс] / под редакцией акад. В.И. Бухтиярова, д.х.н. О.Н. Мартьянова, к.х.н. М.О. Казакова, к.х.н. Д.И. Потемкина –Новосибирск : Институт катализа СО РАН, 2025.–https://catalysis.ru/resources/institute/Publishing/Report/2025/roskat.pdf–ISBN 978-5-906376-59-6 УДК 544.47+66.097 ББК 24.54 ISBN 978-5-906376-59-6 (год публикации - 2025)