НАНОСТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ПЛАТИНЫ И НИКЕЛЯ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТВЁРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ, СИНТЕЗИРОВАННЫЕ МАГНЕТРОННО-ИОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

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.

топливный элемент, твердый полимерный электролит, наноструктурированный биметаллический электрокатализатор, магнетронное напыление, реакция восстановления кислорода, платина, никель, fuel cell, solid polymer electrolyte, nanostructured bimetallic electrocatalyst, magnetron sputtering, reaction of oxygen reduction, platinum, nickel

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Гиллербранд В.Ф., Лендель Г.Э., Брант Г.А., Гофран Д.И. Практическое руководство по неорганическом анализ. Москва: Госхимиздат, 1957. С. 420-421.