Работа выполнена при поддержке гранта Федерального агентства по науке и инновациям (государственный контракт № 16.740.11.0062).
Основные выводы
1. Предложен метод получения электродов топливных элементов на основе композиционных материалов Pt/HxWO3 путем последовательного магнетронного распыления отдельных компонентов на газодиффузионный слой. Обнаружена экстремальная зависимость электрокаталитических свойств материала от содержания платины. Показано, что на основе полученных материалов оптимального состава (60 мкг/см2 при удельной мощности 1.2 Вт/гPt) могут быть созданы аноды со сверхнизкой загрузкой платины, по удельной мощности превосходящие стандартные катализаторы.
2. Получен ряд нерастворимых солей CsxH3-xPW12O40 (x = 2 - 3), изучена зависимость их электротранспортных свойств и морфологии от способа получения, температуры и влажности окружающей среды. Обнаружено явление самоорганизации наноразмерных солей гетерполисоединений (характерный размер 10нм) в шаровидные образования с характерным размером 100 ~ 200 нм.
3. Получены композиционные материалы на основе платинированных гетерополисоединений и электронных проводников (сажа, допированный диоксид олова). Показано, что в случае исследования сажи, концентрационная зависимость проводимости определяется формулой теории протекания с перколяционным порогом в 37±2 об.%, а максимум электрокаталитической активности определяется максимальной границей раздела ионного и электронного проводника.
4. При использовании в качестве электронного проводника SnO2 концентрационные зависимости и проводимости, и электрокаталитической активности могут быть описаны только при использовании в различных концентрационных диапазонах теории протекания и приближения эффективной среды. Такое поведение хорошо коррелирует с особенностями морфологии материалов, составляющих композиционную систему.
5. Показано, что электродные материалы на основе наноструктурированных платинированных гетерополисоединений и диоксида олова проявляют синергетический эффект, обеспечивающий как оптимальное соотношение электронной и ионной составляющих проводимости, так и высокую электрокаталитическую активность в реакциях восстановления кислорода и окисления СО.
6. На основе композиционных платинированных материалов системы CsxH3-xPW12O40 и SnO2-5%Sb получены высокоэффектные, коррозионно-устойчивые анодные и катодные материалы с повышенной толерантностью к СО.
Публикации по теме диссертации
Статьи:
1. Чжао Цзинь, Баранов А.М., Укше А.Е., Кнотько А.В., Фролова Л.А., Добровольский Ю.А.; Композитные каталитические электроды на оксидном носителе (Pt-HxWOy) со сверхнизкой загрузкой платины для водородных топливных элементов с полимерной мембраной // Альтернативная энергетика и экология, No. 8 (76), 2009, C. 175-181.
2. Добровольский Ю.А., Фролова Л.А., Арсатов А.В., Чжао Цзинь, Катализаторы для низкотемпературных топливных элементов // Органические и Гибридные наноматериалы / Под ред. Разумова В.Ф., Клюева М.В. Иваново: Изд-во ИвГУ, 2009, С. 226-289.
3Ј®Цзинь Чжао, А.Е.Укше, Л.С.Леонова, А.В. Чуб, Л.А.Фролова, Ю.А.Добровольский; Композиционные каталитические системы на основе платинированных гетерполисоединенией с добавлением электронного проводники для низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементов // Альтернативная энергетика и экология, No. 12 (92), 2010, C. 39-51.
4. Чжао Цзинь, Укше А.Е., Леонова Л.С., Добровольский Ю.А., Исследования наноструктурных катализаторов на основе платинированных гетерополисоединений для низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементов // Электрохимия T.47, No.5; 2011; С. 1-11.
Тезисы докладов:
1. Новые электрокатализаторы для водородно-воздушных топливных элементов на основе углеродных волокон с нанесенными наноразмерными кластерами платины /Герасимова Е.В., Моргун С.А., Володин С.А., Цзинь Ч., Тарасов А.Б., Куюнко Н.С., Кущ С.Д., Добровольский Ю.А., Тарасов Б.П. // 8-е Международное совещание «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела»: Тез. докл. 13-16 июня 2006, г. Черноголовка. С.367-368.
2. Synthesis and investigation of carbon and non-carbon based catalyst support for proton-exchange membrane fuel cells / Dobrovolsky Yu., Gerasimova E., Arsatov A., Lyskov N., Zhao J., Volodin A., Leonova L., Tarasov B. // 16th International Conference on Solid State Ionics. 1-6 July 2007. Shanghai, China. С.642.
3. Synthesis and investigation of non-carbon based catalyst support for proton-exchange membrane fuel cells based on SnO2-WO3 composites / Arsatov A., Lyskov N., Zhao J., Leonova L.S. // 8th International Symposium on Systems with fast ionic transport. 23-27 May 2007. Vilnius, Lithuania. С.101.
4. Арсатов А.В., Лысков Н.В., Чжао Ц., Леонова Л.С., Добровольский Ю.А. Термические и электрохимические свойства неуглеродных носителей платиновых катализаторов на основе SnO2 и HxWO3 для низкотемпературных топливных элементов // Четвертая российская конференция «Физические проблемы водородной энергетики»: Тез. докл. 26-28 ноября 2007, г. Санкт-Петербург. С.126-127.
5. Неуглеродные носители катализаторов для низкотемпературных топливных элементов / Чжао Цзинь, Лысков Н.В., Баранов А.М., Укше А.Е., Добровольский Ю.А. // 9-е Международное совещание «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела», 24-27 июня 2008, г. Черноголовка. С.179. 374
6. Исследование катализаторов для низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементов / Чжао Цзинь, Баранов А.М., Укше А.Е., Добровольский Ю.А. // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2008» г. Москва, 11-12 ноября 2008 г, Т.3, С.26.
7. Проводимость каталитические свойства нанокомпозитов углерода с солями гетерополикислот / Чжао Цзинь, Добровольский Ю.А., Укше А.Е., Фролова Л.А., Леонова Л.С. // 10-е Международное совещание «Fundamental Problems of Solid state ionics», 14-16 июня 2010, г. Черноголовка. С.133 325
8. Исследования неуглеродных носителей катализаторов для низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементов / Цзинь Чжао, А.Е.Укше, Л.С.Леонова, А.В. Чуб, Л.А.Фролова // Шестая российская конференция «Физические проблемы водородной энергетики», 22-24 ноября 2010, г. Санкт-Петербург. С.155.