catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2016-2-48-56catal-337Research ArticleЭЛЕКТРОКАТАЛИЗELECTROCATALYSISХарактеристики неплатиновых катодных катализаторов для водородо-кислородного топливного элемента с протонпроводящим и анионпроводящим электролитамиProperties of Cathode Non-Platinum Catalysts for Oxyhydrogen Fuel Cell with Proton- and Anion-conducting ElectrolytesКорчагинО. В.KorchaginO. V.ctls@kalvis.ruБогдановскаяВ. А.BogdanovskayaV. A.ctls@kalvis.ruТарасевичМ. Р.TarasevichM. R.ctls@kalvis.ruКузовА. В.KuzovA. V.ctls@kalvis.ruЖутаеваГ. В.ZhutaevaG. V.ctls@kalvis.ruРадинаМ. В.RadinaM. V.ctls@kalvis.ruНовиковВ. Т.NovikovV. T.ctls@kalvis.ruЖариковВ. В.ZharikovV. V.ctls@kalvis.ruИнститут физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН), г. МоскваРоссияFrumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, MoscowRussian FederationРоссийский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ), г. МоскваРоссияMendeleev Russian Chemical and Technological University, MoscowRussian Federation2016120420161624856Copyright © LLC "KALVIS", 20162016LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/337

Методом пиролиза азотсодержащих комплексов железа и кобальта на поверхности высокодисперсных углеродных материалов синтезированы катодные катализаторы для водородо-кислородного топливного элемента (ТЭ) с протонпроводящим (кислым) и анионпроводящим (щелочным) электролитами. Катализаторы охарактеризованы методом РФЭС, испытаны в модельных условиях на тонкослойном дисковом электроде и в составе МЭБ водородо-кислородных ТЭ. Впервые описаны свойства системы CoFe/С, сформированной путем пиролиза макрогетероциклических соединений кобальта и железа на углеродных материалах (саже ХС-72 и многослойных нанотрубках (МНТ)). По данным РФЭС, поверхность каталитических систем CoFe/С обогащена углеродом (95,5 ат.%), содержит азот (2 ат.%), кислород (2 ат.%) и металлы (0,5 ат.%). Согласно результатам электрохимических измерений в модельных условиях, каталитические системы состава CoFe/МНТ приближаются к коммерческому платиновому катализатору 60% Pt/C (HiSPEC9100) по активности в реакции восстановления кислорода в щелочной среде (0,5 М КОН). Значения потенциала полуволны составляют 0,85 и 0,88 В для катализаторов CoFe/МНТ и 60% Pt/C (HiSPEC9100) соответственно. Максимальная удельная мощность водородо-кислородного ТЭ с анионпроводящим электролитом составила 210 мВт/см2 (катод на основе 60% Pt/C (HiSPEC9100)) и 180 мВт/см2 (катод на основе CoFe/МНТ). Характеристики МЭБ с неплатиновым катодом соответствуют лучшим аналогам, описанным в литературе. Результаты работы показали перспективность дальнейших исследований по масштабированию технологии синтеза предложенных неплатиновых катодных катализаторов и оптимизации архитектуры МЭБ ТЭ на их основе.

Pyrolysis of nitrogen-containing complexes of iron and cobalt on the surface of disperse carbon materials was used for synthesis of cathode catalysts for oxyhydrogen fuel cells (FC) with proton-conducting (acidic) and anion-conducting (alkaline) electrolytes. The catalysts were characterized by XPS and tested using a thin-film disc electrode and in oxyhydrogen FC under model conditions. Properties of the CoFe/C system prepared by pyrolysis of macroheterocyclic compounds of iron and cobalt on carbon materials (soot HS-72 and multilayer nanotubes (CNT)) were described for the first time. From XPS data, the surface of the catalytic CoFe/C systems is rich in carbon (95,5 at.%), contains nitrogen

(2 at.%), oxygen (2 at.%) and metals (0,5 at.%). The data obtained by electrochemical measurements under model conditions revealed that the catalytic systems CoFe/CNT are close to the commercial platinum catalyst 60%Pt/C (HiSPEC9100) in their activity to oxygen reduction in an alkali medium (0,5 M KOH). Half-wave potentials are 0,85 and 0,88 V for catalysts CoFe/CNT and 60%Pt/C (HiSPEC9100), respectively. The maximal specific capacity of the oxyhydrogen FC with an anion-conducting electrolyte is 210 mW/cm2 (a 60%Pt/C (HiSPEC9100) based cathode) and 180 mW/cm2 (CoFe/CNT based cathode). In its characteristics, MEA with the non-platinum cathode compete well with the best analogues described in literature. The results obtained demonstrated the necessity of the further studies on scaling-up the technology for synthesis of the developed non-platinum cathode catalysts and on optimization of the MEA FC architecture based thereon.

реакция электровосстановления кислороданеплатиновые катализаторыводородо-кислородный топливный элементпротонпроводящий полимерный электролитанионпроводящий полимерный электролитoxygen electroreductionnon-platinum catalystsoxyhydrogen fuel cellproton-conducting polymer electrolyteanion-conducting polymer electrolyteReferencesThe fuel cell Industry Review 2013. URL: http://www.fuelcelltoday.com/media/1889744/fct_review_2013.pdf (дата обращения: 29.04.2015)The fuel cell Industry Review 2013. URL: http://www.fuelcelltoday.com/media/1889744/fct_review_2013.pdf (дата обращения: 29.04.2015)Fernandes A.C., Ticianelli E.A. // J. Power Sources, 2009, vol. 193, no. 2, pp. 547-554.Fernandes A.C., Ticianelli E.A. // J. Power Sources, 2009, vol. 193, no. 2, pp. 547-554.Peighambardoust S.J., Rowshanzamir S., Amjadi M. // Int. J. Hydrogen energy, 2010, vol. 35, no. 17, pp. 9349-9384.Peighambardoust S.J., Rowshanzamir S., Amjadi M. // Int. J. Hydrogen energy, 2010, vol. 35, no. 17, pp. 9349-9384.Nasef M.M., Aly A.A. // Desalination, 2012, vol. 287, pp. 238-246.Nasef M.M., Aly A.A. // Desalination, 2012, vol. 287, pp. 238-246.Merle G., Wessling M., Nijmeijer K. // J. Membr. Sci., 2011, vol. 377, no. 1-2, pp. 1-35.Merle G., Wessling M., Nijmeijer K. // J. Membr. Sci., 2011, vol. 377, no. 1-2, pp. 1-35.Fukuta K. Electrolyte Materials for AMFCs and AMFC Perfomance. Tokuama Corp. May 8th 2011. URL: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/amfc_050811_fukuta.pdf (дата обращения: 29.04.2015)Fukuta K. Electrolyte Materials for AMFCs and AMFC Perfomance. Tokuama Corp. May 8th 2011. URL: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/amfc_050811_fukuta.pdf (дата обращения: 29.04.2015)Varcoe J.R., Slade R.C.T., Wright G.L., Chen Y. // J. Phys. Chem., B, 2006, vol. 110, no. 42, pp. 21041-21049.Varcoe J.R., Slade R.C.T., Wright G.L., Chen Y. // J. Phys. Chem., B, 2006, vol. 110, no. 42, pp. 21041-21049.Lu S., Pan J., Huang, A., Zhuang L., Lu J. // PNAS, 2008, vol.105, no. 52, pp. 20611-20614.Lu S., Pan J., Huang, A., Zhuang L., Lu J. // PNAS, 2008, vol.105, no. 52, pp. 20611-20614.Sheng W., Bivens A.P., Myint M., Zhuang Z., Chen J.G., Yan Y. // 224th ECS Meet, 2013, Abs.# 1367.Sheng W., Bivens A.P., Myint M., Zhuang Z., Chen J.G., Yan Y. // 224th ECS Meet, 2013, Abs.# 1367.Hu Q., Li G., Pan J., Tan L., Lu J., Zhuang L. // Int. J. Hydrogen energy, 2013, vol. 38, no. 36, pp. 16264-16268.Hu Q., Li G., Pan J., Tan L., Lu J., Zhuang L. // Int. J. Hydrogen energy, 2013, vol. 38, no. 36, pp. 16264-16268.Ng J.W.D., Gorlin Y., Nordlund D., Jaramillo T.F. // J. Electrochem. Soc., 2014, vol. 161, no. 7, pp. D3105-3112.Ng J.W.D., Gorlin Y., Nordlund D., Jaramillo T.F. // J. Electrochem. Soc., 2014, vol. 161, no. 7, pp. D3105-3112.Тарасевич М.Р., Корчагин О.В. // Электрохимия. 2013. Т. 49. № 7. С. 676—695.Тарасевич М.Р., Корчагин О.В. // Электрохимия. 2013. Т. 49. № 7. С. 676—695.Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. // Электрохимия. 2012. Т. 48. № 11. С. 1222—1232.Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. // Электрохимия. 2012. Т. 48. № 11. С. 1222—1232.Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 8. С. 986—996.Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 8. С. 986—996.Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Лозовая О.В. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 7. С. 902—917.Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Лозовая О.В. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 7. С. 902—917.Богдановская В.А., Бекетаева Л.А., Рыбалка К.В., Ефремов, Б.Н., Загудаева Н.М., Сакашита М., Иидзима Т., Исмагилов З.Р. // Электрохимия. 2008. Т. 44. № 3. С. 316—325.Богдановская В.А., Бекетаева Л.А., Рыбалка К.В., Ефремов, Б.Н., Загудаева Н.М., Сакашита М., Иидзима Т., Исмагилов З.Р. // Электрохимия. 2008. Т. 44. № 3. С. 316—325.Yang Z., Nie, H., Chen X., Chen, X., Huang S. // J. Power Sources, 2013, vol. 236, pp. 238-249.Yang Z., Nie, H., Chen X., Chen, X., Huang S. // J. Power Sources, 2013, vol. 236, pp. 238-249.Procedures For Performing In-Plane Membrane Conductivity Testing, 2008. URL: http://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f10/htmwg_may09_conductivity_testing.pdf (дата обращения: 14.08.2015)Procedures For Performing In-Plane Membrane Conductivity Testing, 2008. URL: http://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f10/htmwg_may09_conductivity_testing.pdf (дата обращения: 14.08.2015)Wang H., Turner J.A. // J. Power Sources, 2008, vol. 183, no. 2, pp. 576-580.Wang H., Turner J.A. // J. Power Sources, 2008, vol. 183, no. 2, pp. 576-580.Grew K.N., Ren X., Chu D. // Electrochem. and Solid-State Lett., 2011, vol.14, no.12, pp. B127-B131.Grew K.N., Ren X., Chu D. // Electrochem. and Solid-State Lett., 2011, vol.14, no.12, pp. B127-B131.Давыдова Е.С., Тарасевич М.Р. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. № 2. С. 184—192.Давыдова Е.С., Тарасевич М.Р. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. № 2. С. 184—192.Finšgar M, Fassbender S, Hirth S, Milošev I. // Mater. Chem. Phys., 2009, vol. 116, no. 1, pp. 198-206.Finšgar M, Fassbender S, Hirth S, Milošev I. // Mater. Chem. Phys., 2009, vol. 116, no. 1, pp. 198-206.Плесков Ю.В., Филиновский В.Ю. Вращающийся дисковый электрод. М.: Наука, 1972. 345 с.Плесков Ю.В., Филиновский В.Ю. Вращающийся дисковый электрод. М.: Наука, 1972. 345 с.Цивадзе А.Ю., Тарасевич М.Р., Кузов А.В., Кузнецова Л.Н., Лозовая О.В., Давыдова Е.С. // Доклады Академии наук. 2012. Т. 442. № 6. С. 776—779.Цивадзе А.Ю., Тарасевич М.Р., Кузов А.В., Кузнецова Л.Н., Лозовая О.В., Давыдова Е.С. // Доклады Академии наук. 2012. Т. 442. № 6. С. 776—779.Тарасевич М.Р., Корчагин О.В. // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 8. С. 821—834.Тарасевич М.Р., Корчагин О.В. // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 8. С. 821—834.Wu J., Zhang D., Wang Y., Wan Y., Hou B. // J. Power Sources, vol. 198, pp. 122-126.Wu J., Zhang D., Wang Y., Wan Y., Hou B. // J. Power Sources, vol. 198, pp. 122-126.Gunasekara I., Lee M., Abbott D., Mukerjeez S. // J. Electrochem. Lett., 2012, vol.1, no. 2, pp. F16-19.Gunasekara I., Lee M., Abbott D., Mukerjeez S. // J. Electrochem. Lett., 2012, vol.1, no. 2, pp. F16-19.

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