Новые подходы к получению высокоэффективных катализаторов: управление разноуровневой организацией материалов; подбор эффективных носителей; поиск оптимального соотношения активности и стабильности; разработка методов исследования тонкой структуры платиносодержащих композитов

Проект направлен на решение проблемы получения платиносодержащих электрокатализаторов нового поколения с пониженным содержанием платины. Актуальность исследований связанна с необходимостью значительного снижения стоимости электроэнергии, производимой низкотемпературными водородо-воздушными и метанольными топливными элементами. Это невозможно сделать без использования электрокатализаторов, сочетающих пониженное содержание драгоценного металла с высокой каталитической активностью и коррозионно-морфологической стабильностью материала.Фундаментальные аспекты работы состоят в получении новых знаний о микроструктуре, электрохимических свойствах и особенностях эволюции систем, содержащих различные типы двухкомпонентных (Pt, M1) наночастиц; о влиянии состава и микроструктуры нанесенных платиносодержащих электрокатализаторов на стабильность их функциональных характеристик; о методах управления микроструктурой наноразмерных катализаторов (при синтезе и посредством постобработки), позволяющих в одном и том же материале достичь сочетания оптимальных характеристик структуры на разных уровнях её организации.Прикладные аспекты работы состоят в получении высокоактивных платиносодержащих нанесенных катализаторов, содержащих 20 – 40% масс. платины при электрохимически активной площади поверхности 50 – 120 м2/г(Pt), в 1,5 – 2 раза превосходящих по своей стабильности коммерческие образцы Pt/C электрокатализаторов с аналогичной загрузкой платины.Научная новизна работы во многом обусловлена комплексным подходом к управлению составом и микроструктурой электрокатализаторов на разных уровнях её организации, в том числе на уровне архитектуры самих биметаллических наночастиц. Мы предлагаем новый подход, существенно расширяющий возможности рентгенографии для характиеризации биметаллических наночастиц со структурой оболочка-ядро, в основе которого лежит гипотеза о том, что при термической обработки Pt-M/C материалов с различной архитектурой наночастиц, изменение характеристических параметров, определяемых из рентгеновских дифрактаграмм, зависит не только от состава материала и среднего размера кристаллитов, но и от архитектуры биметаллических наночастиц.Мы полагаем, что формирование крупных биметаллических наночастиц с большим ядром из атомов d-металла M и относительно тонкой платиновой оболочкой будет способствовать повышению их термодинамической стабильности и усилению адгезии к носителю. Умеренная агрегация наночастиц M на этапе синтеза M/C не окажет существенного влияния на электрохимически активную площадь поверхности платины (ЭХАП) в Mx@Pt/C, но будет повышать стабильность катализатора за счет упрочнения связи наночастиц с носителем. Несмотря на пониженное содержание платины в электрокатализаторе, полученные материалы будут устойчивы к селективному растворению легирующего компонента, поскольку ядро будет защищено платиновой оболочкой. Важным аспектом исследования подобных объектов будет являться изучение их эволюции. Отметим, что мы намерены разработать методики синтеза стабильных наночастиц со структурой ядро-оболочка, позволяющие реализовать составы с высоким содержанием легирующего компонента (до M2.5Pt). Получить стабильный электрокатализатор такого состава на основе наночастиц со структурой твердого раствора невозможно.Мы планируем разработать методики получения кислотостойких неуглеродных носителей, состав, размер и микроструктура частиц которых будут оптимизированы в ходе реализации проекта. Использование таких носителей может привести к повышению как активности, так и стабильности платиносодержащих электрокатализаторов.