Характеристики неплатиновых катодных катализаторов для водородо-кислородного топливного элемента с протонпроводящим и анионпроводящим электролитами

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.

1. The fuel cell Industry Review 2013. URL: http://www.fuelcelltoday.com/media/1889744/fct_review_2013.pdf (дата обращения: 29.04.2015)

2. Fernandes A.C., Ticianelli E.A. // J. Power Sources, 2009, vol. 193, no. 2, pp. 547-554.

3. Peighambardoust S.J., Rowshanzamir S., Amjadi M. // Int. J. Hydrogen energy, 2010, vol. 35, no. 17, pp. 9349-9384.

4. Nasef M.M., Aly A.A. // Desalination, 2012, vol. 287, pp. 238-246.

5. Merle G., Wessling M., Nijmeijer K. // J. Membr. Sci., 2011, vol. 377, no. 1-2, pp. 1-35.

6. 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)

7. Varcoe J.R., Slade R.C.T., Wright G.L., Chen Y. // J. Phys. Chem., B, 2006, vol. 110, no. 42, pp. 21041-21049.

8. Lu S., Pan J., Huang, A., Zhuang L., Lu J. // PNAS, 2008, vol.105, no. 52, pp. 20611-20614.

9. Sheng W., Bivens A.P., Myint M., Zhuang Z., Chen J.G., Yan Y. // 224th ECS Meet, 2013, Abs.# 1367.

10. Hu Q., Li G., Pan J., Tan L., Lu J., Zhuang L. // Int. J. Hydrogen energy, 2013, vol. 38, no. 36, pp. 16264-16268.

11. Ng J.W.D., Gorlin Y., Nordlund D., Jaramillo T.F. // J. Electrochem. Soc., 2014, vol. 161, no. 7, pp. D3105-3112.

12. Тарасевич М.Р., Корчагин О.В. // Электрохимия. 2013. Т. 49. № 7. С. 676—695.

13. Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. // Электрохимия. 2012. Т. 48. № 11. С. 1222—1232.

14. Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 8. С. 986—996.

15. Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Лозовая О.В. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 7. С. 902—917.

16. 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.

17. Yang Z., Nie, H., Chen X., Chen, X., Huang S. // J. Power Sources, 2013, vol. 236, pp. 238-249.

18. 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)

19. Wang H., Turner J.A. // J. Power Sources, 2008, vol. 183, no. 2, pp. 576-580.

20. Grew K.N., Ren X., Chu D. // Electrochem. and Solid-State Lett., 2011, vol.14, no.12, pp. B127-B131.

21. Давыдова Е.С., Тарасевич М.Р. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. № 2. С. 184—192.

22. Finšgar M, Fassbender S, Hirth S, Milošev I. // Mater. Chem. Phys., 2009, vol. 116, no. 1, pp. 198-206.

23. Плесков Ю.В., Филиновский В.Ю. Вращающийся дисковый электрод. М.: Наука, 1972. 345 с.

24. 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.

25. Тарасевич М.Р., Корчагин О.В. // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 8. С. 821—834.

26. Wu J., Zhang D., Wang Y., Wan Y., Hou B. // J. Power Sources, vol. 198, pp. 122-126.

27. Gunasekara I., Lee M., Abbott D., Mukerjeez S. // J. Electrochem. Lett., 2012, vol.1, no. 2, pp. F16-19.