Разработка безмембранных щелочных спиртовых топливных элементов на основе двух несмешивающихся жидкостей с использованием наноструктурированных биметаллических и триметаллических катализаторов на металлических и углеродных носителях

В настоящее время во всем мире остро стоит вопрос глобальной энергетической безопасности и создания устойчивых технологий, основанных на собственных ресурсах. В этой связи особое внимание уделяется разработке различных устройств хранения и преобразования энергии, таких как топливные элементы, батареи, суперконденсаторы и др. Работа данных устройств основана на окислительно-восстановительных реакциях, и во многом зависит от эффективности протекания реакций окисления, восстановления кислорода, а для спиртовых топливных элементов реакции окисления спирта. Известные катализаторы для этих реакций включают в свой состав металлы платиновой группы. Ограниченность их ресурсов, дороговизна, дефицитность, а также их быстрое отравление каталитическими ядами существенно сдерживает промышленное освоение новых устройств хранения и преобразования энергии и приводят к необходимости поиска и создания новых материалов для катализаторов, в том числе, на основе металлов неплатиновой группы. Cпиртовые топливные элементы, в частности, на этаноле, имеют большие перспективы в качестве источника энергии для различных портативных устройств и вызывают большой интерес в мобильных приложениях. В последние годы был достигнут заметный прогресс в разработке новых эффективных катализаторов для спиртовых топливных элементов, в частности, на основе переходных металлов и неметаллов. Исследования показали, что они позволяют заменить аналоги из благородных металлов как в реакции выделения кислорода, так и в реакции восстановления кислорода. Менее исследована область применения шпинелей переходных металлов для реакций окисления этанола в щелочных топливных элементах, хотя перспективы их использования в данных устройствах хранения и преобразования энергии колоссальны. Поскольку во время окислительно-восстановительных реакций задействованы главным образом, поверхностные слои катализатора, основным направлением повышения активности катализаторов является существенное увеличение площади поверхности за счет создания пористой гетерогенной структуры и увеличение количества активных центров, путем легирования структуры. В этом случае, с учетом того, что в щелочных средах большинство электрокаталитических процессов протекает легче, чем в кислых, и химическая стабильность материалов выше, становится возможной замена катализаторов из металлов платиной группы на катализаторы из металлов неплатиновой группы. Среди катализаторов неплатиновой группы особое внимание привлекают оксиды, гидроксиды и сульфиды переходных (Co, Ni, Mn, Zn, Fe и др.) и постпереходных (Sn, In, Bi и др.) металлов. Доказано, что в щелочных средах эти катализаторы во многих случаях не только не уступают катализаторам, созданным на основе металлов платиновой группы, но и превосходят их по селективности и долговечности, при этом немаловажную роль играет материал носителя или подложки катализатора. Увеличение активной поверхности катализатора за счет применения пористых металлических пен, выступающих как в качестве подложек для катализаторов, так и в роли самостоятельных катализаторов является одним из основных трендов получения активных катализаторов, без применения драгоценных металлов. Металлические пены являются превосходным носителем для катализаторов, так как имеют высокую электропроводность, развитую пористую поверхность и хорошую адгезию к наносимым на них металлам. С помощью электроосаждения различных металлов на такие подложки можно получить ди- и триметаллические катализаторы и повысить активность реакции окисления этанола за счет возникновения синергетического эффекта. Наиболее перспективными являются подложки из металлических пен меди, никеля, серебра и олова получаемые, как правило, методом динамического шаблона, позволяющим создавать наноструктурированные поверхности. Легирование металлических пен кобальтом, оловом, железом повышает электрохимическую активность катализатора, снижает сопротивление переносу заряда и улучшает его стабильность. Доказано, что катализаторы на основе двойных гидроксидов никеля и железа даже превосходят катализаторы на основе металлов платиновой группы в щелочной среде в реакциях восстановления кислорода. Восстановление кислорода на них проходит при меньших потенциалах и при более высоких плотностях тока. Вследствие этого перспективно использование данных катализаторов в спиртовых топливных элементах. В соответствии с целями проекта, авторами за два года работы над проектом были разработаны безмембранные щелочные спиртовые топливные элементы нового типа на основе двух несмешивающихся жидкостей с использованием наноструктурированных биметаллических и триметаллических катализаторов. Для этого: 1) проведен анализ и выбор катализаторов для щелочных этанольных топливных элементов с учетом последних достижений в области разработки катализаторов для окисления спиртов в щелочных условиях; 2) разработаны методики получения биметаллических и триметаллических катализаторов для окисления спирта и восстановления кислорода в щелочных этанольных средах; 3) исследованы каталитические свойства разработанных катализаторов в электрохимических процессах, протекающих в предложенном топливном элементе нового типа и предложены оптимальные пары «анод-катод»; 4) собраны безмембранные щелочные спиртовые топливные элементы нового типа с предложенными оптимальными парами «анод-катод», определены их вольтамперные характеристики и проведены их испытания на предмет проверки их работоспособности.