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 24-79-10162
НазваниеПовышение долговечности электрокатализаторов для топливных элементов посредством направленной модификации углеродных носителей с учетом механизма деградации материалов в процессе их функционирования
Руководитель Алексеенко Анастасия Анатольевна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл
Конкурс №98 - Конкурс 2024 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 электрокатализаторы, топливный элемент с протонообменой мембраной, стабильность электрокатализаторов, деградация электрокатализаторов, наночастицы платины, допированные углеродные носители, стресс-тестирование, реакция восстановления кислорода
Код ГРНТИ44.31.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Низкотемпературные топливные элементы с протонообменной мембраной (ПОМТЭ) являются важной частью интенсивно развивающейся водородной энергетики. Одними из ключевых компонентов таких устройств являются электрокатализаторы, ускоряющие протекание токообразующих реакций и обеспечивающие высокую эффективность работы ПОМТЭ. Наночастицы платины и ее сплавов, нанесенные на углеродный носитель, являются наилучшими электрокатализаторами реакций, протекающих на катоде и аноде топливных элементов. Способность электрокатализаторов сохранять свои характеристики в процессе функционирования характеризует их долговечность и во многом определяет ресурс работы ПОМТЭ. Стабильность и активность платиноуглеродных катализаторов зависят от их состава и особенностей иерархически организованной структуры.
Актуальность проекта обусловлена необходимостью создания стабильных электрокатализаторов для водородной энергетики. Используемые во всем мире платиноуглеродные катализаторы подвержены высокой деградации в условиях работы, что снижает долговечность и эффективность топливных элементов и устройств на их основе. Создание материалов, обеспечивающих более длительный ресурс работы топливных элементов с протонообменной мембраной, является актуальным решением проблемы. Научная проблема, на решение которых направлен проект заключается в необходимости выяснения динамики и механизмов процессов реорганизации микроструктуры электрокатализаторов, происходящих в процессе функционирования катализатора в условиях электрохимической активации, длительного стресс-тестирования в лабораторных условиях, а также и при работе мембранно-электродных блоков для определения причин деградации материалов и прогнозирования способов повышения их стабильности. Научная новизна настоящего исследования состоит в получении новых знаний о механизмах реорганизации микроструктуры электрокатализаторов, происходящих в процессе функционирования материала, также о взаимосвязи природы азот-содержащих групп в N-допированном углеродном носителе с эффективностью влияния интеркалированного азота на сорбцию металлических НЧ в процессе синтеза, активность НЧ платины и ее сплавов в токообразующих реакциях, на стабильность электрокатализаторов.
Прикладные задачи проекта: 1) разработка и масштабирование способов получения высокоэффективных электрокатализаторов для ПОМТЭ с повышенным ресурсом работы; разработка методик стресс-тестирования, повышающих корреляцию между результатами оценки стабильности электрокатализаторов посредством ускоренного стресс-тестирования в лабораторных условиях и результатами ресурсных испытаний в мембранно-электродных блоках топливных элементов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе первого года реализации проекта проведены исследования по разработке высокоэффективных электрокатализаторов для топливных элементов с протонообменной мембраной. Работы велись по нескольким ключевым направлениям, каждое из которых имеет научные результаты.
Первая часть исследований была посвящена модификации углеродных носителей азотом. Были изучены три типа углеродных материалов на основе Vulcan XC-72, Ketjenblack EC-300J и Ketjenblack EC-600JD. Результаты исследования показали, что модификация меламином при 600°C наиболее эффективна для материалов Ketjenblack, обладающих высокой удельной поверхностью. Эти носители продемонстрировали повышенную устойчивость к окислению, что подтверждалось циклической вольтамперометрией. Особый интерес представляют данные Рамановской спектроскопии, показавшие увеличение степени дефектности структуры после азотирования. РФЭС-анализ подтвердил успешное внедрение азота (до 3 ат.%) преимущественно в виде пиридиновых, графитоподобных и пиррольных структур.
На основе полученных данных были определены оптимальные параметры модифицирования углеродных носителей: использование сажи Ketjenblack EC-300J/EC-600JD, температура обработки 600°C, соотношение углерод:меламин 1:5. Эти условия обеспечили наилучшее сочетание структурных и электрохимических характеристик модифицированных материалов.
Во второй части работы были синтезированы платиноуглеродные катализаторы с содержанием Pt 20% и 40% на различных носителях. Катализаторы на азот-модифицированных носителях показали исключительно равномерное распределение наночастиц платины с преобладающим средним размером наночастиц 2.5-3 нм. Методами ПЭМ и EDX-анализа удалось обнаружить отдельные атомы и кластеры Pt, а также установить корреляцию между локализацией наночастиц и участками с повышенным содержанием азота на поверхности носителя. Особое внимание было уделено изучению электрохимических характеристик полученных катализаторов. Материалы на основе N-допированных носителей продемонстрировали высокие функциональные характеристики по сравнению с коммерческими аналогами. Значения площади электрохимически активной поверхности достигали 120 м²/г(Pt), а массовая активность в реакции восстановления кислорода составляла около 400 А/г(Pt) для катализаторов с 40% содержанием платины.
Важным этапом работы стало исследование стабильности катализаторов методом ускоренного стресс-тестирования. Катализаторы на модифицированных носителях показали не только меньшую степень деградации, но и сохранили более высокие остаточные характеристики по сравнению с образцами сравнения. Применение IL-TEM метода позволило изучить процессы деградации на примере одних и тех же локальных участков образов до и после стресс-тестирования, выявив ключевые механизмы изменения структуры катализаторов.
Дополнительно были начаты исследования биметаллических PtCu-катализаторов на модифицированных носителях. Первые результаты показали перспективность этого направления исследований - полученные материалы демонстрировали массовую активность, в 3-6 раз превышающую показатели коммерческих аналогов.
В рамках проекта также была разработана специализированная программа для обработки электрохимических данных, которая использовалась при обработке данных на первом году реализации проекта. Результаты проекта представлены в 7 научных докладах на конференциях и отражены в 3 статьях, направленных в журналы Q1.
Полученные результаты создают основу для дальнейших исследований во второй год реализации проекта. Особое значение имеют разработанные методики модификации углеродных носителей и синтеза катализаторов, которые могут найти применение не только при создании материалов для топливных элементов, но и в других областях катализа и электрохимии.
Публикации
1. Алексеенко А.А., Паперж К.О., Баян Ю.А., Панкова Ю.А., Астравух Я.В., Криводубский Д.П. СОЗДАНИЕ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Научное издание Тезисы докладов VII Научно-практической конференции «Водородная маевка», Тезисы VII научно-практической конференции «Водородная маевка», 26 - 30 апреля 2025 года, стр. 8-9 (год публикации - 2025)
2. Меньщиков В.С., Бескопыльный Е.Р., Павлец А.С., Невельская А.К. ТЕСТИРОВАНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ В СОСТАВЕ МЭБ Научное издание Тезисы докладов VII Научно-практической конференции «Водородная маевка», Тезисы VII научно-практической конференции «Водородная маевка», 26 - 30 апреля 2025 года, стр. 8-9 (год публикации - 2025)
3. Баян Ю.А., Паперж К.О., Герасимов Е.Ю., Алексеенко А.А. Синтез и свойства электрокатализаторов с ультрамелкими наночастицами металла Сборник тезисов V Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» 21 - 26 апреля 2025 г., г. Санкт-Петербург, Сборник тезисов V Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ», С. 505-506 (год публикации - 2025)
4. Алексеенко А.А., Паперж К.О., Могучих Е.А., Павлец А.С., Астравух Я.В., Панкова Ю.А., Панков И.В. Особенности деградации и методы оценки стабильности электрокатализаторов для водородной энергетики Сборник тезисов V Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» 21 - 26 апреля 2025 г., г. Санкт-Петербург, Сборник тезисов V Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ», С. 303-304 (год публикации - 2025)
5. Алексеенко А.А., Беленов С.В., Алексеенко Д.В., Павлец А.С., Паперж К.О., Панкова Ю. А., Астравух Я.О., Гутерман В.Е. Создание высокоэффективных электрокатализаторов для топливных элементов с протонообменной мембраной Научное издание «Водород как основа низкоуглеродной экономики», Сборник тезисов Школы-конференции Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики», 2024, С. 41-42 (год публикации - 2025)