Создание высокоактивных и стабильных катализаторов на основе нанотрубок и модифицированной платины для топливных элементов

Приоритетной целью работ по созданию катализаторов для ТЭ является повышение их стабильности. Деградация катализаторов на основе Pt связана с растворением и укрупнением частиц Pt и с коррозией носителя в результате окисления углеродного материала. Одним из перспективных путей повышения коррозионной устойчивости катализаторов является использование носителей, по коррозионной устойчивости превосходящих турбостратный углерод, таких как углеродные нанотрубки (УНТ). За трехлетний период выполнения проекта исследован и проведен анализ характеристик широкого круга УНТ, как экспериментальных, так и коммерческих. По сочетанию свойств (структура, активность, стабильность и воспроизводимость характеристик) для синтеза катализаторов были выбраны УНТ отечественного производства - Таунит М (УНТ-Т). Разработана лабораторная, адаптированная к выбранному носителю, методика синтеза Pt/УНТ, включающая предварительную обработку нанотрубок. Синтезирована и всесторонне исследована, включая коррозионное тестирование, серия Pt/УНТ-Т катализаторов с содержанием Pt 20 - 40 мас.% и биметаллической системы (PtCo). В модельных условиях активность синтезированных катализаторов в реакции катодного восстановления кислорода не уступает коммерческому (60Pt/C(HiSPEC)), а по коррозионной устойчивости значительно превосходит его. На основе новой каталитической системы разработан метод формирования активных слоев (АС) катода мембранно-электродного блока (МЭБ) для ТЭ водород - воздух и спирт - кислород. При испытаниях водородного ТЭ при плотности тока 0,4 А/см² на новых катализаторах в атмосфере О₂ устанавливается напряжение 0,77 - 0,78 В, что превышает заявленные в проекте характеристики. Максимальная удельная плотность мощности ТЭ водород - воздух с катализатором на аноде и катоде 40Pt/УНТ-Т составляет более 470 мВт/см². МЭБ с катализатором 40Pt/УНТ-Т обеспечивают более стабильную работу ТЭ при низких парциальных давлениях кислорода и повышенную коррозионную устойчивость по сравнению с МЭБ на основе коммерческого катализатора при экспресс-тестировании (УСТ). Предложена математическая модель изменения свойств катализатора в условиях УСТ МЭБ ТЭ Н₂ - воздух, позволяющая прогнозировать рабочий ресурс. Толерантность катализатора к спирту является основным фактором, определяющим деградацию катода ТЭ метанол - О₂. Каталитическая система 40Pt/УНТ превосходит коммерческий Pt/C катализатор по стабильности характеристик в присутствии спирта. Дополнительно синтезирован неплатиновый катализатор CoFe/УНТ, который характеризуется наибольшей устойчивостью к деградации при воздействии метанола. Использование CoFe/УНТ на катоде щелочного ТЭ метанол - О₂ обеспечивает максимальную плотность мощности ~260 мВт/см², что превышает характеристики МЭБ на основе Pt/C ~180 мВт/см². Полученные результаты указывают на существенную роль толерантности катодного катализатора благодаря применению в качестве носителя УНТ. Отмечено, что при синтезе катализаторов использованы только отечественные материалы, а достигнутые характеристики позволяют рекомендовать его для расширенного применения.