Русский Русский

Лебедева М.В.

Кандидат химических наук, доцент, МИРЭА – Российский технологический университет

Исследование химических источников тока на автоматизированной электронной нагрузке с контролируемыми параметрами

https://doi.org/10.58224/2619-0575-2024-7-4-25-36
, , , , ,
 25-36 стр.
Аннотация
Гибридные установки преобразования энергии топлива в электроэнергию являются перспективным способом обеспечения человечества доступными энергоресурсами. Однако вопрос получения реагентов (водорода и кислорода) высокой степени чистоты остается одним из наиболее актуальных. В данной работе были исследованы энергетические характеристики водородно-кислородного топливного элемента в сочетании с электролизером воды. Были сформированы мембранно-электродные блоки, состоящие из модифицированной мембраны на основе политетрафторэтилена с платина-содержащим компонентом (Pt(30%)/C), а также анода и катода, изготовленных из углеродной ткани и пористого никеля, легированных техническим углеродом и графеном. Структурные характеристики материала были изучены с помощью метода растровой электронной микроскопии. Исследование энергетических характе-ристик водородно-кислородных мембранно-электродных блоков впервые проводилось на автоматизиро-ванной электронной нагрузке AКИП-1375/1E со встроенным программным обеспечением. В разработан-ном водородно-кислородном топливном элементе в качестве твердого полимерного электролита вместо мембраны Nafion была использована более доступная коммерческая мембрана на основе политет-рафторэтилена, что значительно снизило стоимость разработки МЭБ. В результате проведенных ис-пытаний было установлено, что максимальную удельную мощность демонстрируют элементы, скон-струированные на основе анода и катода из пористого никеля, модифицированного графеном.
PDF

Энергоэффективные нанокомпозитные мембранно-электродные блоки для химических источников тока

, , , ,
 19-28 стр.
Аннотация
Электродные материалы на основе наночастиц платиновых металлов широко используются для создания альтернативных источников энергии с высокими удельными характеристиками. Промышленные углеродсодержащие носители и перфторированные протонообменные мембраны типа Nafion используются в качестве матриц для формирования электродов топливных элементов. В настоящей работе синтезированы новые эффективные полимер-углеродные катализаторы, модифицированные наночастицами платины. Физико-химические и функциональные характеристики нанокомпозитов изучены методами электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, малоуглового рентгеновского рассеяния, а также циклической вольтамперометрии. Обнаружена повышенная каталитическая активность и стабильность сформированных электродов в водородно-кислородных топливных элементах. Получены результаты испытаний водородно-воздушных топливных элементов в модельных условиях работы. Максимальные параметры плотности тока мембранно-электродных блоков обнаружены для нанокомпозитов, сформированных на многостенных углеродных нанотрубках при коэффициенте солюбилизации ω равном 1,5 и содержании платины 0,35 мг/см2. Создание новых мембранно-электродных блоков способствует снижению стоимости химических источников тока, а также повышению их энергоэффективности.
PDF

ПЛАТИНА-РУТЕНИЙ ДЛЯ МЕТАНОЛЬНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

, , , ,
 7-15 стр.
Аннотация
Cоздание эффективных материалов для функционирования новых химических источников тока к настоящему времени является актуальной задачей. В топливных элементах могут быть использованы экологически чистые и энергетические ресурсы, такие как водород и углеродное биотопливо (метанол и этанол), которые имеют широкий спектр потенциальных применений от портативных устройств до электростанций. Внимание исследователей привлекает разработка метанольных топливных элементов, благодаря их компактной конструкции, жидкому топливу, низкой рабочей температуре и высокой удельной мощности. Однако коммерциализация подобных источников энергии по-прежнему является сложной задачей из-за высокого содержания платины на электродах, высокой стоимости благородных металлов, малой долговечности и замедленной кинетике как анодных, так и катодных реакций. Повыше-ние активности и снижение загрузки Pt являются двумя основными задачами в развитии технологии ме-танольных топливных элементов. В работе химическим восстановлением в обращенных микроэмульсиях были синтезированы биметаллические наночастицы Pt-Ru для оценки параметров метанольных топлив-ных элементов. В качестве матрицы-носителя был использован пористый никель, который формировался темплатным синтезом в размеро-задающей маске металлического алюминия. В результате проведенных экспериментальных исследований метанольных мембранно-электродных блоков топливных элементов на основе пористого никеля с наночастицами Pt и Pt-Ru установлено, что максимальные показатели напря-жения и плотности тока достигаются при использовании электродов на основе наночастиц платина-рутений с размером частиц не более 3 нм, содержанием катализатора 0.2 мг/см2 и температуре 60оС.
PDF

ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛИМЕР-УГЛЕРОДНЫХ МАТРИЦАХ-НОСИТЕЛЯХ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

, , , ,
 74-82 стр.
Аннотация
Топливные элементы являются перспективными устройствами прямого преобразования химической энергии в электрическую с точки зрения эффективности и низкого уровня выброса загрязняющих веществ. Основным компонентом топливных элементов является твердым полимерным электролит. Мембраны из перфторированных сульфосодержащих сополимеров типа Nafion с различным содержанием сульфогрупп удовлетворяют большинству из условий применения, т.к. имеют достаточно высокую степень протонной проводимости, устойчивости в растворах электролитов и высокую механическую прочность. Принципиальным недостатком таких мембран является их относительно низкая ионная селективность и уменьшение механической прочности при температурах выше 100оС. Для улучшения характеристик мембраны применяют различные способы модификации, в том числе различными добавками и нано-частицами металлов. Основным препятствием для широкого крупномасштабного использования топлив-ных элементов является их себестоимость, в которой основную часть составляет стоимость электро-катализаторов на основе платиновых металлов. Поэтому разработка эффективных электродных мате-риалов с пониженным содержанием платиновых металлов является актуальной задачей. В данной работе синтезированы биметаллические наночастицы платина-рутений на комбинированных матрицах-носителях, состоящих из полимерной мембраны Nafion и углеродных нанотрубок. Проведено сравнение размеров наночастиц Pt-Ru при варьировании мольного отношения вода:ПАВ от 1.5 до 8. Обнаружено, что минимальный размер характерен для наночастиц, полученных при максимальном содержании плати-ны в наночастицах (7:1) и степени солюбилизации ω = 1.5. Установлено, что в реакции окисления метано-ла наибольшую каталитическую активность демонстрируют электродные материалы на основе биме-таллических наночастиц Pt-Ru(7:1) при загрузке катализатора 0.2 мг/см2 на полимерных подложках с до-бавкой многостенных углеродных нанотрубок при температуре 60оС.
PDF

ТЕХНОЛОГИЯ НАНОПЕРФОРИРОВАНИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МЕДНЫХ СТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ АНОДНОГО ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ

, , , ,
 60-69 стр.
Аннотация
В работе представлена оригинальная технология синтеза наноструктурированных медных электродов методом реплик с наноматриц металлического алюминия на опытно-промышленной высоковольтной гальванической установке. Используемая технологическая схема позволяет осуществлять процесс непрерывного высоковольтного микроплазменного перфорирования металлической ленты с фор-мированием нанопор заданного размера в диапазоне от 20 до 500 нм при варьируемом напряжении. Для исследования полученных реплик была создана серия индикаторных электродов с рабочей поверхностью из материала реплик. В качестве референтного материала для электрода использовалась медная фольга хо-лодного проката. Видимую площадь рабочей поверхности изготовленных электродов исследовали на растровом электронном микроскопе. Методом циклической вольтамперометрии был определен коэффи-циент увеличения площади удельной поверхности по увеличению площади пика, соответствующего вос-становлению поверхностной пленки оксида меди, образующейся на поверхности медного электрода в ще-лочной среде при положительных потенциалах. Для гладкого медного электрода площадь поверхности составила 0,071 мм2. Для наноструктурированного электрода такого же размера суммарную площадь поверхности рассчитывали по отношению площадей токовых пиков, соответствующих восстановлению поверхностной пленки оксида меди (II) на поверхности массивного медного электрода и нановорсистого медного электрода. Установлено, что каталитическая активность, оцениваемая по величине тока, свя-занного с окислением модельного субстрата – глюкозы, приблизительно в 10 раз превосходит увеличение активности за счет суммарной поверхности меди. Аномальный каталитический эффект обсуждается с точки зрения повышения локальной напряженности электрического поля вследствие высокой кривизны поверхности нановолокон и с точки зрения изменения условий диффузии субстрата к поверхности элек-трода за счет наноструктурирования.
PDF

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С БИМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

, ,
 5-12 стр.
Аннотация
Разработка высокоэффективных автономных источников энергии позволяет осуществлять стабильное и бесперебойное энергоснабжение физико-химических процессов и производств при различных режимах эксплуатации. Современные технологические методы и подходы к получению наноструктурированных электродных материалов, а также выяснение особенностей механизмов электрохимических реакций на основе наночастиц платиновых металлов дают возможность конструировать датчики контроля, топливные элементы и электролизеры с повышенными энергетическими характеристиками. Углеродные нанотрубки, используемые для создания наноструктурированных электродов в химических преобразователях энергии, обладают высокими функциональными свойствами по сравнению с другими матрицами и, модифицированные наночастицами с пониженным содержанием металлов, позволяют по-высить электрокаталитически активную площадь поверхности электрода и достигнуть максимальных параметров мощности топливного элемента. В данной работе было осуществлено формирование биме-таллических наноструктурированных композитов с варьируемым составом на углеродных матрицах-носителях для конструирования электродов автономных источников тока. В качестве подложек были выбраны одно- и многостенные углеродные нанотрубки. Для получения композитов были синтезированы биметаллические наночастицы платина-палладий с различным соотношением металлов. Проведены исследования материалов методами электронной микроскопии и рентгенофазового анализа. В результате установлен оптимальный алгоритм, метод синтеза и условия создания нанокомпозитов с минимальными размерами частиц. Изменяя мольное соотношение вода: ПАВ, а также соотношение металлов-прекурсоров, можно получать биметаллические наночастицы платина-палладий размером до 12 нм. Получены данные влияния условий формирования наночастиц металлов на их размеры, форму и распределение по поверхности матрицы. Сформирована серия опытных образцов для практического использования при конструировании источников тока.
PDF

ПАЛЛАДИЕВЫЕ НАНОЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ НА КОМБИНИРОВАННЫХ МАТРИЦАХ-НОСИТЕЛЯХ ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

, ,
 29-36 стр.
Аннотация
Автономные источники тока, использующие в качестве топлива муравьиную кислоту, являются перспективными преобразователями энергии химической реакции в электроэнергию благодаря высокому потенциалу разомкнутой цепи, безопасному (негорючему и нетоксичному) топливу и более высоким энергетическим характеристикам по сравнению с топливными элементами, в которых топливом являются спирты. Кроссовер-эффект с низким содержанием муравьиной кислоты позволяет использовать тонкую мембрану, а также высокую концентрацию топлива (до 20 М), что способствует повышению параметров удельной мощности конструкции в целом. Катализаторы на основе Pt или Pd активно используются в реакции электроокисления муравьиной кислоты. Известно, что катализаторы на основе Pd более эффективны, чем катализаторы на основе Pt, вследствие их устойчивости к воздействию монооксида углерода, как основного продукта реакции. В данной работе были изучены вольт- и ватт-амперные параметры топливных элементов основе муравьиной кислоты и воздуха в модельных условиях работы. Испытания осуществлялись на сертифицированном лабораторном стенде топливного элемента, к которому подключался рабочий макет исследуемого мембранно-электродного блока. Установлены оптимальные характеристики загрузки катализаторов для достижения оптимальных характеристик по удельной мощности и плотности тока. Создание новых катализаторов и модификация существующих помогут увеличить срок службы электродов, снизить стоимость их производства, повысить их эффективность за счет повышения КПД, а также использовать в качестве топлива не только водород, но и другие виды топлива, такие как муравьиная кислота.
PDF

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПАЛЛАДИЕВЫХ НАНОКАТАЛИЗАТОРОВ НА ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ МЕМБРАНАХ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

, ,
 58-66 стр.
Аннотация
Развитие современных нанотехнологических методов и подходов к синтезу и формированию наноструктур позволяет создавать новые материалы, сочетающие в себе различные функциональные свойства и уникальные физико-химические характеристики. Для разработки электродных материалов преобразователей энергии используют нанокомпозиты, в составе в которых присутствуют наноразмерные частицы, что позволяет получать катализаторы с повышенной активностью и стабильностью. Коммерческие перфторированные протонообменные мембраны типа Nafion и углеродсодержащие носители (углеродные нанотрубки, графен, фуллерены) являются перспективными матрицами носителями для химических источников энергии – топливных элементов. Наночастицы на основе платины, палладия, либо их сплавы являются отличными материалами для реакций электрокаталитического окисления водорода и восстановления кислорода, которые происходят в топливных элементах. В элементах на основе прямого окисления муравьиной кислоты, в основном, используются биметаллические наночастицы на основе палладия, которые проявляют более высокие каталитические свойства. В данной работе были синтезированы новые эффективные полимер-углеродные композиты, модифицированные наночастицами палладия. В качестве подложек были выбраны одно- и многостенные углеродные нанотрубки. Проведены физико-химические исследования полученных материалов методами электронной микроскопии и малоуглового рентгеновского светорассеяния. Установлены размеры наночастиц в составе функциональных матриц-носителей. Обнаружено, что углеродный наполнитель способствует лучшей стабилизации наночастиц малого размера в составе композита. Получены данные влияния условий формирования наночастиц металлов на их размеры, форму и распределение по поверхности матрицы. Исследована стабильность образцов с варьируемой загрузкой палладия на различных матрицах-носителях методом хроноамперометрии. Доказана перспективность использования сформированных материалов для электродов топливных элементов с прямым окислением муравьиной кислоты.
PDF