Инженерен бюлетин Дон, Електрохимичното разрушаване на платината е нов начин за синтез на наномащаб
Н.В. Смирнова, А.Б. Куриганова
В статията се предлага метод за синтез на Pt/C катализатор за нискотемпературни горивни клетки (LFC) - обещаващи електрохимични източници на енергия за мобилни системи. Методът се основава на явлението електрохимично въвеждане и разрушаване на платиновите електроди в алкални разтвори под действието на променлив ток на полярност. Използвайки метода на трансмисионна електронна микроскопия (TEM), размерът на наночастиците платина в катализатора е определен на 8-10 nm, чиято форма е близка до формата на куб. Използването на Pt/C катализатори, получени чрез електрохимично разрушаване на платина в състава на активните слоеве на MEA, осигурява специфично ниво на мощност до 220 mW/cm2, което съответства на нивото на най-добрите световни постижения за NTE.
Ключови думи: горивна клетка, електрокатализатор, платинени наночастици, катодно вмъкване.
Днес живеем в свят, чието по-нататъшно развитие вече е немислимо без използването на алтернативни енергийни източници. В тази връзка все повече внимание се привлича от електрохимичните инсталации, които преобразуват енергията на химичните реакции в електричество, т.нар. горивни клетки.
Когато се класифицират горивните клетки в съответствие с използвания електролит, има 5 основни типа:
- Протон проводима полимерна мембранна горивна клетка (PEMFC),
- алкална горивна клетка (AFC),
- фосфат TE (PAFC),
- разтопена карбонатна горивна клетка (MCFC),
- твърдооксидна горивна клетка (SOFC).
Въпреки това, най-широко се използват горивни клетки с протонопроводима полимерна мембрана. Такива FC имат редица предимства: ниска работна температура, леко тегло, компактност, бързо стартиране, възможност за периодична работа, издръжливост, което ги прави много обещаващи за използване като захранващи устройства за преносимо оборудване, резервни захранващи устройства [1].
Химичните реакции в горивните клетки протичат върху специални катализатори, които са нанодисперсна платина или нейни сплави, отложени върху въглеродна подложка. Много усилия бяха отделени за разработването на евтини, високоефективни и стабилни катализатори за FC, но досега не е намерен по-подходящ от платината. Следователно търсенето на начини за увеличаване на стабилността, трайността и намаляване на отравянето с платинени катализатори е една от най-важните области на изследванията в технологията на горивните клетки, допринасяйки за тяхната комерсиализация. Всички тези характеристики на платинено-въглеродните катализатори до голяма степен зависят от структурата на активната част на катализатора (платинени наночастици), която от своя страна до голяма степен се определя от метода за приготвяне на катализатора.
Днес са разработени десетки методи за синтез на Pt/C катализатори [2], основните от които са нискотемпературен химичен синтез, механохимичен синтез, зол-гел метод, метод на импрегниране, синтез на микроемулсия, синтез в течна фаза, метод на магнетронно разпрашаване. Всеки от тези методи има предимства и недостатъци. Например: механохимичният синтез няма да позволи да се контролира формата и размерът на наночастиците; синтезът в течна фаза включва използването на неводни разтворители по време на синтеза, както и необходимостта от измиване на катализатора от тези разтворители с ацетон и голямо количество вода, което е нерентабилно за производството на скъпи платинени катализатори без него. Някои от тях предполагат намаляване на съединенията на предшествениците на платина в поток от водород при температури от 400 ° C и повече.
Нов, относително бърз и чист метод за синтезиране на катализатор на основата на платинени наночастици (AC катализатор) е разработен в Южноруския държавен технически университет. Методът се основава на явлението катодно разрушаване на платиновите електроди в алкални разтвори, когато се прилага ток с променлива полярност.
Поведението на платина по време на електролиза с променлив ток в различни разтвори е изследвано още в началото на 20-ти век [3]. Скоростта на разрушаване на платината под действието на синусоидален променлив ток в разтвори на соли и основи е изследвана в [4]. Установено е, че максималната скорост на разрушаване на платиновите електроди се наблюдава в тези разтвори, като металите, от които платината дава интерметални съединения, а анионният състав на електролита също играе съществена роля. Причината за унищожаването на платината, очевидно, е въвеждането на йон на алкален метал в кристалната решетка на платината, образуването на интерметално съединение на платината с алкален метал и последващото му разлагане с вода.