Разработка высокоэффективных электрокатализаторов на основе никеля для прямых боргидридных топливных элементов

Низкотемпературные топливные элементы в настоящее время рассматриваются в качестве одних из наиболее перспективных источников питания, которые наряду с аккумуляторами должны в ближайшем будущем занять значительную нишу в мировой экономике. Вместе с тем широкое распространение водород-кислородных топливных элементов сдерживается высокой стоимостью катализаторов, а также систем хранения и транспортировки водорода. В связи с этим в последние годы растет интерес к использованию топливных элементов на основе жидкого топлива и, в частности, боргидрида натрия. Данное соединение при нормальных условиях находится в твердом состоянии, что позволяет существенно сократить затраты на его хранение и транспортировку. Кроме того, боргидрид растворяется без разложения в сильнощелочных растворах, облегчая его дальнейшую эксплуатацию. Применение щелочных электролитов позволяет использовать электрокатализаторы на основе легко доступных и недорогих неблагородных металлов, повышая тем самым конкурентоспособность прямых боргидридных топливных элементов в качестве стационарных и мобильных источников питания. В частности, значительный интерес представляет их использование в отдаленных районах, где отсутствует централизованное электроснабжение, а также на подводных лодках и летательных аппаратах ввиду высокой энергоэффективности боргидрида натрия на единицу массы. Примечательно, что прямое окисление боргидрида в топливном элементе, то есть исключая стадию его гидролиза с выделением водорода, позволяет получить дополнительный выигрыш в напряжении элемента в размере до 0.41 В по сравнению с водород-кислородными топливными элементами. Согласно последним исследованиям в данной области, электрокатализаторы на основе никеля являются одними из наиболее перспективных анодов прямых боргидридных топливных элементов. Примечательно также, что никель по активности и стабильности превосходит электрокатализаторы на основе платины и палладия. Однако высокая активность никеля в реакции окисления боргидрида сопровождается интенсивным выделением водорода вследствие параллельно протекающего на поверхности катализатора гидролиза боргидрида. Это приводит к снижению фарадеевской эффективности процесса до 50% (выделение 4 электронов вместо максимально возможных 8 на одну молекулу боргидрида), а также блокированию части активной поверхности катализатора образующимися пузырьками газа. Целью текущего проекта является установление способов повышения фарадеевской эффективности электрокатализаторов на основе никеля в реакции окисления боргидрида в щелочной среде. Для достижения поставленной цели будет реализована стратегия, которая заключается в синтезе биметаллических NiM/C катализаторов (M = Cu, Au, Ru) оптимального состава и подборе оптимальных условий (соотношение концентраций NaOH и NaBH4) их функционирования на основе разработанной в рамках проекта кинетической модели. Впервые исследование свойств никельсодержащих катализаторов будет проведено с тщательным контролем состояния их поверхности – параметра, который, как было недавно продемонстрировано, является ключевым для проявления высокой активности никеля в реакции окисления боргидрида.