Новые подходы к повышению стабильности и оптимизация методов стресс-тестирования электрокатализаторов для топливных элементов с полимерной мембраной

Проект посвящен решению двух взаимосвязанных задач: 1) созданию новых Pt-содержащих электрокатализаторов (ЭК) для низкотемпературных топливных элементов, обладающих более высокой стабильностью по сравнению с коммерческими Pt/C аналогами и при этом не уступающих последним по активности в реакции электровосстановления кислорода; 2) оптимизации существующих экспресс-методик определения стабильности катализаторов с целью более достоверной и воспроизводимой оценки по сравнению с используемыми. Актуальность проекта обусловлена потребностью развития фундаментальных представлений о закономерностях процессов и явлений, протекающих при функционировании нанесенных ЭК, причинах постепенной деградации платиносодержащих ЭК и способах повышения их долговечности. Другой причиной, обусловливающей актуальность проекта, является практическая потребность в адекватной методике экспресс-оценки стабильности платиноуглеродных ЭК, а также потребность в создании нового поколения электрокатализаторов, характеризуемых более высокими функциональными характеристиками по сравнению с известными на сегодня аналогами. Научная новизна определяется двумя аспектами исследования. В настоящее время стабильность (долговечность) электрокатализаторов при стресс-тестировании в электрохимической ячейке чаще всего оценивается посредством сравнения характеристик катализатора (площади электрохимически активной поверхности (ЭХАП), реже – активности в реакции электровосстановления кислорода (РВК)) до начала и после проведения определенного количества циклов линейной развертки потенциала в диапазоне определенных значений: 0.6 – 1.0 В («мягкий» режим) или 0.6 – 1.4 В («жесткий режим»). Проведение данных протоколов тестирования всегда является длительным (не менее 20 часов) циклированием в бескислородной атмосфере. При этом важным являются условия проведения стресс-тестирований: диапазон потенциалов, скорость сканирования, количество циклов, атмосфера. По нашему мнению, возможно использование кислородной атмосферы для приближения условий к реальным при тестировании в МЭБе, а также проведение дополнительной стадии стандартизации после окончания стресс-тестирования для определения обратимости деградации катализатора (возможности его «реанимирования»). Важным условием является и изменение диапазонов потенциалов на стадии стандартизации (начальная стадия всех электрохимических измерений) биметаллических электрокатализаторов. Данный параметр оказывает влияние на характер селективного растворения атомов легирующего компонента, а также реорганизацию структуры биметаллических наночастиц. Использование оптимизированной методики стресс-тестирования поможет решить проблему выбора катодных электрокатализаторов, сочетающих активность и стабильность. Однако это не решит проблему разработки нового поколения электрокатализаторов, обладающих более высокими функциональными характеристиками по сравнению с материалами, используемыми в настоящее время. Новизна настоящего проекта будет также заключаться в создании новых электрокатализаторов, превосходящих известные на сегодняшний день коммерческие Pt/C материалы по производительности в токообразующих реакциях (по сочетанию высоких значений активности и стабильности). Эта часть проекта будет реализована а) посредством использования разработанного и запатентованного нами ранее способа синтеза Pt/C катализаторов, позволяющего получить материалы с малым размером наночастиц (менее 2 нм) и узкой дисперсностью по размеру. На сегодняшний день мы понимаем, как получить катализаторы с равномерно распределенными на поверхности углеродного носителя наночастицами платины, что дает возможность существенно увеличить стабильность за счет упорядоченности системы; б) путем использования нового, разработанного нами методом синтеза биметаллических катализаторов с пониженным содержанием платины, позволяющего получать PtM и de-alloyed PtM (M=Cu, возможно Ni) наночастицы, нанесенные на углеродный носитель и характеризующиеся повышенной стабильностью и активностью в реакции электровосстановления кислорода. Применение различных углеродных носителей (Vulcan XC-72, KetjenBlack и др.), в том числе N-допированного (KetjenBlack-600-N) позволит получить материалы более устойчивые к деградации в длительных стресс-тестированиях.