Наноразмерные Pt/C электрокатализаторы для низкотемпературных топливных элементов.
Одной из актуальных проблем современной технологии является переход на новые источники энергии. Связано это как с истощением традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь и т.д.), так и с загрязнением окружающей среды, вызванным постоянным увеличением объемов выбросов продуктов горения топлива.
На рис.1 показана схема традиционного теплового двигателя. В таком двигателе, происходят неизбежные потери энергии вследствие наличия большого числа промежуточных стадий преобразования энергии сгоревшего топлива в механическую или электрическую энергии. В результате чего коэффициент полезного действия их на данном этапе не превосходит 40%. Одним из путей решения вышеуказанных проблем является создание низкотемпературных топливных элементов (ТЭ), в которых используется прямое преобразование химической энергии в электрическую посредством окисления водорода, метонола и т.д.(рис.1).
Принцип действия водородно-воздушного ТЭ представлен на рис.2.
Получение энергии на примере кислородно-водородного топливного элемента происходит в результате протекания химической реакции окисления водорода.
Которая состоит из двух реакций. Это электроокисление водорода на аноде
и реакция восстановления кислорода на катоде
Гидроксид-ионы двигаются в ионном проводнике (электролите) от катода к аноду, а электроны во внешней цепи – от анода к катоду. Во время протекания химической реакции окисления водорода, в системе течет ток и происходит постоянное превращение химической энергии в электрическую напрямую.
Основные отличия ТЭ от гальванических элементов (батареек и аккумуляторов):
- они используют нерасходуемые электроды, что существенно увеличивает срок службы (до нескольких десятков тысяч часов);
- не требуют подзарядки;
- реагенты для реакции поступают непрерывно во время работы, а не закладываются изначально.
Одним из важных элементов ТЭ является катализатор, позволяющий провести реакцию электроокисления водорода при более низких температурах. В качестве катализатора в топливных элементах чаще всего используют частицы платины и ее сплавов. Оптимальный размер этих частиц лежит в области нанометрового масштаба и составляет примерно 2-4 нм. Для того, чтобы наночастицы платины или ее сплавов не слипались друг с другом в процессе работы ТЭ, их синтезируют на мелкодисперсном порошке углерода. На рис. 3 представлены фотографии катализаторов, сделанные на сканирующем электронном микроскопе. Крупные черные частицы и пластины - порошок углерода, маленькие светлые - платины.
На кафедре электрохимии химического факультета ЮФУ под руководством профессора Гутермана В.Е. не первый год работает междисциплинарная лаборатория " Новых функциональных материалов". Ее сотрудники занимаются проблемами синтеза новых композиционных материалов, которые могут найти применение в области низкотемпературных топливных элементов с твердополимерным электролитом (ионопроводящей мембраной между электродами ТЭ). Технологии водородной энергетики, технологии создания каталитических систем, технологии создания новых наноразмерных материалов, - все это первоочередные области науки современной России.
Основными вопросами в изучении структуры электрокатализаторов на данный момент являются:
- Средний диаметр кристаллитов, их размерное распределение, форма, ориентация.
- Тонкая структура наночастиц сплавов ("core-shell" структура и пр.).
- Особенности структуры наночастиц сплавов Pt-Me по сравнению с Pt.
- Выявление особенностей текстуры (например, увеличение доли <110>.
Проведение рентгеновских исследований и анализ физико-химических процессов, происходящих при синтезе и использовании новых материалов, - важный вклад нашей кафедры в общее развитие деятельности лаборатории.
Вопросы структуры электрокатализаторов для топливных элементов лежат в области научных интересов сотрудника кафедры нанотехнологий к.ф.-м.н. Леонтьева И.Н.
В настоящее время с помощью рентгеновских исследований можно определять средний размер частиц катализатора, внутренние напряжения. В перспективе возможен расчет полезной площади каталитического материала, что позволит составить более полную картину структуры наночастиц сплава Pt-Me, а значит, приблизит к решению главной задачи технологии производства наноразмерных объектов с заданными свойствами - установление связи "условия синтеза - свойства материала".
На рис. 4 представлена рентгенограмма образцов Pt3Co/C электрокатализаторов Е24 и Е23, а также углеродного носителя марки Timrex HSAG300, который представляет из себя частицы углерода сферической формы диаметром порядка 10 мкм, покрытые мелкими чешуйками.
Эти рентгенограммы получены на Швейцарско-Норвежской линии Европейского центра синхротронного излучения (SNBL ESRF) с использованием монохроматизированного рентгеновского излучения с длиной волны λ=0.72287 Å. Детектор излучения – Image Plate Mar-345. Расстояние детектор – образец составляло 150 мм, что соответствовало угловому диапазону рентгенограммы 2θ от 5 до 50°. Для измерений образец помещался в стеклянный капилляр диаметром 0.3 мм. Время измерения составляло 10 с. В процессе съемки образец поворачивался вокруг оси капилляра на угол 10°.
Качество аппроксимации, выполняемой в программе WinPlotr2007 для пиков с индексами hkl (311) и (222) можно увидеть на рис. 5.
На данный момент размер частиц определяется несколькими методами, один из которых – определение по уравнению Шерера. Суть этого метода заключается в том, что размер областей когерентного рассеяния можно определить, исходя из двух параметров: половины угла по шкале 2θ (на рентгенограмме ось х) и ширины профиля линии на середине высоты пика (FWHM).
Метод можно использовать для анализа профиля линии рентгенограммы в качестве быстрого и легкого способа вычисления размеров областей когерентного рассеяния за счет потери в точности, незначительной для многих технологических задач.