alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейсalternative-686Research ArticleКАТАЛИЗ В АЭЭCATALYSIS FOR AEEНАНОСТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ПЛАТИНЫ И НИКЕЛЯ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТВЁРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ, СИНТЕЗИРОВАННЫЕ МАГНЕТРОННО-ИОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕNANOSTRUCTURED ELECTROCATALYSTS BASED ON PLATINUM AND NICKEL FOR FUEL CELLS WITH SOLID POLYMER ELECTROLYTE, SYNTHESISED BY MAGNETRON-ION SPUTTERING IN A PULSE MODEГригорьевСергей АлександровичGrigorievSergey Alexandrovichnoemail@neicon.ruЛютиковаЕлена КонстантиновнаLyutikovaElenanoemail@neicon.ruМарусеваИрина ВикторовнаMarusevaIrinanoemail@neicon.ruПименовВиталий ВикторовичPimenovVitaliynoemail@neicon.ruПресняковМихаил ЮрьевичPresniakovMikhail Yu.noemail@neicon.ruФатеевВладимир НиколаевичFateevVladimir NikolaevichFateev_VN@nrcki.ruФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский университет "МЭИ"; ФГБУ "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"РоссияNational Research University “MEI”; National Research Center ’’Kurchatov Institute”Russian FederationФГБУ "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"РоссияNational Research Center ’’Kurchatov Institute”Russian Federation201423062016019107116Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20162016Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/686

Методом магнетронно-ионного распыления в импульсном режиме синтезированы бинарные катализаторы на основе платины и никеля на углеродном носителе Vulcan XC-72 с атомным соотношением Pt:Ni, равным 50:50 и 70:30 (содержание металлического катализатора 38,5 и 39,1% масс), проведены их сравнительные структурные и электрохимические исследования. Биметаллические наночастицы имеют либо округлую, либо эллиптическую форму, равномерно закреплены на поверхности частиц углеродного носителя и имеют средний размер от 2,7 до 8 нм. Решетка этих наночастиц имеет кубическую форму и катализаторы представляет собой твердый раствор кластерного характера. Показано, что бинарные PtNi катализаторы не уступают по своим характеристикам платиновому катализатору (40,2% масс. Pt). Характерной особенностью этих катализаторов является их относительно длительная (до 14-16 часов) «активация», сопровождающаяся ростом тока при заданном потенциале, что обусловлено частичным вытравливанием никеля с поверхности катализатора. Дополнительная функционализация платино-никелевого электрокатализатора, основанная на частичном вытравливании никеля в соляной кислоте, также позволяет повысить активность металлических наночастиц.

Binary catalysts based on platinum and nickel on Vulcan XC-72 carbon carrier were synthesized by magnetronion sputtering in an impulse mode with 50:50 and 70:30 Pt:Ni atomic ratio (metal catalyst content was 38,5 and 39,1% Wt). Their structure and electrochemical characteristics were investigated. Bimetallic nanoparticles have a round or spherical shape. They are uniformly distributed and fixed on the surface of carbon carrier, and their average size ranges from 2,7 to 8 nm. The crystal lattice of these nanoparticles is cubic, and catalysts represent a solid solution of a cluster type. It was shown that binary PtNi catalysts have characteristics which are not worse than characteristics of platinum catalysts (40,2% Wt.). A special feature of these catalysts is their relatively long (14-16 hours) “activation” accompanied by the growth of a current at a constant potential that is caused by partial etching of nickel from the catalyst surface. Additional functionalization of platinum-nickel electrocatalyst based on partial etching of nickel in hydrochloric acid also provides to increase activity of metal nanoparticles.

топливный элементтвердый полимерный электролитнаноструктурированный биметаллический электрокатализатормагнетронное напылениереакция восстановления кислородаплатинаникельfuel cellsolid polymer electrolytenanostructured bimetallic electrocatalystmagnetron sputteringreaction of oxygen reductionplatinumnickelReferencesLihui Ou. The origin of enhanced electrocatalytic activity of Pt-M (M = Fe, Co, Ni, Cu, and W) alloys in PEM fuel cell cathodes: A DFT computational study // Computational and Theoretical Chemistry. 2014. Vol. 1048, 15 November. P. 69-76.Lihui Ou. The origin of enhanced electrocatalytic activity of Pt-M (M = Fe, Co, Ni, Cu, and W) alloys in PEM fuel cell cathodes: A DFT computational study // Computational and Theoretical Chemistry. 2014. Vol. 1048, 15 November. P. 69-76.Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Жутаева Г.В., Кузнецова Л.Н., Радина М.В., Резникова Л.А. Электрокаталитическая активность и коррозионная стабильность разработанных триметаллических PtM1M2 (M = Co, Cr) катодных катализаторов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2008. № 10. С. 164-175.Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Жутаева Г.В., Кузнецова Л.Н., Радина М.В., Резникова Л.А. Электрокаталитическая активность и коррозионная стабильность разработанных триметаллических PtM1M2 (M = Co, Cr) катодных катализаторов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2008. № 10. С. 164-175.Беленов С.В., Гутерман В.Е. Состав, структура и коррозионная стабильность PtxNi/C электрокатализаторов с различной микроструктурой // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2011. № 9. С. 105-110.Беленов С.В., Гутерман В.Е. Состав, структура и коррозионная стабильность PtxNi/C электрокатализаторов с различной микроструктурой // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2011. № 9. С. 105-110.Yong-Hun Cho, Tae-Yeol Jeon, Ju Wan Lim, Yoon-Hwan Cho, Minjeh Ahnb, Namgee Jung, Sung Jong Yoo, Won-Sub Yoon, Yung-Eun Sung. Performance and stability characteristics of MEAs with carbon-supported Pt and Pt1Ni1 nanoparticles as cathode catalysts in PEM fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36. Issue 7, April. P. 4394-4399.Yong-Hun Cho, Tae-Yeol Jeon, Ju Wan Lim, Yoon-Hwan Cho, Minjeh Ahnb, Namgee Jung, Sung Jong Yoo, Won-Sub Yoon, Yung-Eun Sung. Performance and stability characteristics of MEAs with carbon-supported Pt and Pt1Ni1 nanoparticles as cathode catalysts in PEM fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36. Issue 7, April. P. 4394-4399.Patent Application Publication US 2006/0280997 PtNi based supported electrocatalyst for proton exchange membrane fuel cell having CO tolerance / Duck-young Yoo, Youngmin Liang, Yanling Qiu, Zhigun Tian, Huamin Zhang, Baolian Yi // 14.12.2006.Patent Application Publication US 2006/0280997 PtNi based supported electrocatalyst for proton exchange membrane fuel cell having CO tolerance / Duck-young Yoo, Youngmin Liang, Yanling Qiu, Zhigun Tian, Huamin Zhang, Baolian Yi // 14.12.2006.Глухов А. С., Федотов А. А., Григорьев С. А., Кулешов Н.В. Магнетронно-ионное распыление как метод синтеза катализаторов для электрохимических систем с твердополимерным электролитом // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2012. № 4 (108). С. 101-107.Глухов А. С., Федотов А. А., Григорьев С. А., Кулешов Н.В. Магнетронно-ионное распыление как метод синтеза катализаторов для электрохимических систем с твердополимерным электролитом // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2012. № 4 (108). С. 101-107.Grigoriev S.A., Millet P., Fateev V.N. Evaluation of carbon-supported Pt and Pd nanoparticles for the hydrogen evolution reaction in PEM water electrolysers // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 177. Issue 2, March. P. 281-285.Grigoriev S.A., Millet P., Fateev V.N. Evaluation of carbon-supported Pt and Pd nanoparticles for the hydrogen evolution reaction in PEM water electrolysers // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 177. Issue 2, March. P. 281-285.Гутерман В.E., Беленов С.В., Ластовина Т.А., Фокина Е.П., Пруцакова Н.В., Константинова Я.Б. Микроструктура и электрохимически активная пло щадь поверхности PtM/C электрокатализаторов // Электрохимия. 2011. Т. 47, № 8. С. 997-1004.Гутерман В.E., Беленов С.В., Ластовина Т.А., Фокина Е.П., Пруцакова Н.В., Константинова Я.Б. Микроструктура и электрохимически активная пло щадь поверхности PtM/C электрокатализаторов // Электрохимия. 2011. Т. 47, № 8. С. 997-1004.Paulus U. A. Oxygen reduction on carbon- supported Pt-Ni and Pt-Co alloy catalysts / U. A. Paulus, A. Wokaum, G. G. Scherer, T. J. Schmidt, V. Stamenkovic, V. Radmilovic, N. M. Markovic, P. N. Ross // J. Phys. Chem. B. 2002. Vol. 106, № 16. P. 4181-4191.Paulus U. A. Oxygen reduction on carbon- supported Pt-Ni and Pt-Co alloy catalysts / U. A. Paulus, A. Wokaum, G. G. Scherer, T. J. Schmidt, V. Stamenkovic, V. Radmilovic, N. M. Markovic, P. N. Ross // J. Phys. Chem. B. 2002. Vol. 106, № 16. P. 4181-4191.Jalan V. Importance of interatomic spacing in catalytic reduction of oxygen in phosphoric acid / V. Jalan, E. J. Taylor // J. Electrochem. Soc. 1983. Vol. 130. P. 2299-2302.Jalan V. Importance of interatomic spacing in catalytic reduction of oxygen in phosphoric acid / V. Jalan, E. J. Taylor // J. Electrochem. Soc. 1983. Vol. 130. P. 2299-2302.Toda T. Enhancement of the electrocatalytic O2 reduction on Pt-Fe alloys / Toda T., Igarashi H., Watanabe M. // J. Electroanalyt. Chem. 1999. Vol. 460. P. 258-262.Toda T. Enhancement of the electrocatalytic O2 reduction on Pt-Fe alloys / Toda T., Igarashi H., Watanabe M. // J. Electroanalyt. Chem. 1999. Vol. 460. P. 258-262.Grigoriev S.A., Porembskiy V.I., Fateev V.N. Pure hydrogen production by PEM electrolysis for hydrogen energy // International Journal of Hydrogen Energy. 2006. Vol. 31. P. 171-175.Grigoriev S.A., Porembskiy V.I., Fateev V.N. Pure hydrogen production by PEM electrolysis for hydrogen energy // International Journal of Hydrogen Energy. 2006. Vol. 31. P. 171-175.Гиллербранд В.Ф., Лендель Г.Э., Брант Г.А., Гофран Д.И. Практическое руководство по неорганическом анализ. Москва: Госхимиздат, 1957. С. 420-421.Гиллербранд В.Ф., Лендель Г.Э., Брант Г.А., Гофран Д.И. Практическое руководство по неорганическом анализ. Москва: Госхимиздат, 1957. С. 420-421.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.