Влияние эволюции состава/структуры биметаллических наночастиц на каталитическую активность

Биметаллические наночастицы находят широкое применение в различных областях современной техники и технологий – в бионанотехнологии, медицине и диагностике, создании сенсоров, классическом катализе, фото- и электрокатализе и др. Электрокатализаторы на основе платиносодержащих наночастиц - важнейшие материалы, необходимые для создания твердополимерных топливных элементов и электролизеров – востребованных компонентов грядущей водородной энергетики. Повышение функциональных характеристик любых объектов и устройств, содержащих биметаллические наночастицы является значимой и актуальной задачей. В случае электрокатализаторов такая задача может быть решена на базе фундаментальных исследований, выясняющих взаимосвязь их состава и структуры с активностью и стабильностью. Настоящий проект направлен на изучение особенностей реорганизации структуры биметаллических PtM наночастиц (НЧ) в результате их естественной или искусственно организованной эволюции и изменений основных функциональных характеристик - активности и стабильности нанесенных Pt-содержащих электрокатализаторов для низкотемпературных топливных элементов, обусловленных этой реорганизацией. Возможность управления составом, размером, пространственным и размерным распределением наночастиц Pt или Pt-M, их формой и тонкой структурой (архитектурой) в ходе синтеза и дальнейшей постобработки открывает путь к получению нового поколения электрокатализаторов. Такие катализаторы должны содержать пониженное по сравнению с коммерческими аналогами количество платины в сочетании с высокими стабильностью и/или активностью, в первую очередь, в реакции электровосстановления кислорода.В результате реализации заявляемого проекта будут получены новые знания о характере связи состава/структуры фактически «работающих» в электрокатализе «превращенных» PtM наночастиц, а также определяемых ими стабильности и активности в токообразующих реакциях, с исходными (состояние «как получено») составом/структурой наночастиц и условиями их предобработки. Будут разработаны новые способы управления составом/структурой de-alloyed PtMx-y/C электрокатализаторов посредством их предобработки, следствием чего станет развитие поверхности наночастиц, обладающих высокой стабильностью и активностью в электрохимических реакциях восстановления кислорода, окисления водорода и метанола. Важным компонентом работы станет аттестация тонкой структуры (архитектуры) биметаллических наночастиц, на поверхности которых происходят токообразующие реакции. В результате выполнения проекта:1) будут разработаны способы получения первичных PtM/C катализаторов и de-alloyed структур с пониженной массовой долей Pt; 2) получит дальнейшее развитие оригинальный подход к идентификации неоднородности распределения атомов разных металлов в биметаллических НЧ, базирующийся на совместном анализе результатов рентгеновской дифрактометрии, термического анализа кинетики высокотемпературного окисления нанесенных катализаторов и просвечивающей электронной микроскопии (с возможностью элементного картирования); 3) будет проведен анализ взаимосвязи состава/структуры функционирующих электрокатализаторов с их исходными («как получено») составом/структурой и условиями предобработки, а также с функциональными характеристиками (стабильностью, активностью в токопроизводящих реакциях, толерантностью к примесям и промежуточным продуктам реакций).Биметаллические электрокатализаторы реакций, протекающих в низкотемпературных топливных элементах известны давно. Тем не менее, заявляемая научная работа будет обладать существенной новизной, обусловленной: 1) новым подходом к получению электрокатализаторов, заключающемся в первоначальном синтезе PtM(x) наночастиц с высоким содержанием легирующего компонента и последующем селективном растворении значительной части этого компонента, приводящим к получению (нанопористых) PtM(x-y) структур с высокими стабильностью и активностью в электрохимических реакциях; 2) в работе будут использованы оригинальные (впервые предложенные именно нашим коллективом) способы воздействия на состав/структуру PtM НЧ при синтезе и обработке электрокатализаторов, а именно - получение биметаллических НЧ с градиентной структурой, использование атмосферы СО при синтезе/обработке наночастиц; 3) при изучении состава/архитектуры de-alloyed НЧ и анализе их размерного и пространственного (по поверхности носителя) распределения будет использован комплексный подход, связанный с сочетанием взаимодополняющих друг друга методов: рентгенофлюоресцентного анализа, ПЭМ (с элементным картированием), синхротронной рентгенографии и окислительной термогравиметрии.