Высокоэффективные электрокатализаторы для водородо-воздушных топливных элементов и электрохимические конденсаторы с высокой разрядной емкостью

В отчетный период выполнена работа, связанная с продолжением разработки электрокатализаторов, электродных материалов и макетов суперконденсаторов, необходимых для создания: а) низкотемпературных топливных элементов с полимерной мембраной (НТЭ), в первую очередь водородо-воздушных и метанольных; б) электрохимических конденсаторов с высокой удельной емкостью (суперконденсаторов). Основное содержание первой части работы - оптимизация ранее разработанных способов синтеза нанесенных наноструктурных платиносодержащих электрокатализаторов, превышающих по активности и/или стабильности зарубежные коммерческие аналоги с близким содержанием платины (Johnson Matthey). Большое внимание было уделено так называемым dealloyed PtCu/C катализаторам, продемонстрировавшим более высокие функциональные характеристики в РВК и РЭОМ по сравнению с Pt/C. Получены образцы бесплатиновых катализаторов, изучены их состав, структура и электрохимические характеристики. Проведены испытания, в том числе и ресурсные, выбранных образцов катализаторов в мембранно-электродных блоках водородовоздушных топливных элементов. Затем были выполнены поиск добавок, позволяющих повысить эффективность суперконденсаторов с водным электролитом, тестирование собранных образцов углерод/углеродных суперконденсаторов, выход на рабочие характеристики, превосходящие отечественные аналоги. В ходе реализации проекта в 2019 г. был оптимизирован способ электролитического нанесения наночастиц кобальта (оксида кобальта) на поверхность дисперсных частиц углерода. В результате удалось получить композиты с содержанием СоО до 25%. Нанесением платины на композиционные CoO/C носители получены электрокатализаторы с высокой активностью в РВК. Подана патентная заявка на способ получения CoO/C материала. Завершено исследование поведения Pt/(SnO₂/C) и dealloyed PtCuₓ₋y/C электрокатализаторов в реакциях окисления спиртов (метанола и этанола). Оба типа катализаторов показали более высокую активность и толерантность к промежуточным продуктам превращения спиртов по сравнению с коммерческим образцом Pt/C. Важно, что растворение значительной части «слабо связанной меди» из платиномедных катализаторов в процессе их кислотной обработки практически не приводит к снижению их функциональных характеристик, зато существенно снижает риск отравления мембраны в процессе последующей эксплуатации. Найден способ оптимизации многостадийного синтеза PtCuₓ/C и dealloyed PtCuₓ₋y/C катализаторов с неравномерной структурой наночастиц, позволивший повысить стабильность и активность катализаторов в РВК. При испытаниях в МЭБ водородовоздушных ТЭ два образца полученных Pt/C катализаторов продемонстрировали более высокие вольтамперные и ваттамперные характеристики по сравнению с коммерческим аналогом HiSPEC (Johnson Matthey). При проведении ресурсных испытаний в МЭБ два образца dealloyed PtCuₓ₋y/C катализатора оказались значительно стабильней Pt/C. При этом признаков отравления полимерной мембраны катионами меди не наблюдалось. Интересные материалы были получены при попытках синтеза бесплатиновых катализаторов РВК, однако по своей активности такие образцы не могут конкурировать с платиносодержащими катализаторами. Задачи третьего этапа проекта в части разработки суперконденсаторов с водным электролитом включали: исследования, необходимые для завершения ранее выполненных работ в части применения ингибитора коррозии никелевого токоотвода; изучение возможности введения в углеродные материалы суперконденсаторов добавок, повышающих емкость за счет обратимого протекания фарадеевских процессов, в качестве таких добавок были исследованы соединения гексацианоферратов никеля и других переходных металлов; поиск способов активации углеродного материала суперконденсатора. По результатам выполнения проекта в 2019 г. было опубликовано семь статей в журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science, семь статей приняты к публикации или находятся на рецензировании. Получены два Свидетельства на программы для ЭВМ, послана одна заявка на патент, зарегистрировано одно ноу-хау. Проданы две лицензии (на патент и программу ЭВМ для обработки результатов измерений). В 2019 г. защищена одна кандидатская диссертация.