Дизайн высокоэффективных анодных электрокатализаторов на основе наночастиц переходных металлов для прямых боргидридных топливных элементов

В настоящее время низкотемпературные топливные элементы рассматриваются в качестве перспективных источников тока, позволяющих реализовать переход от ископаемых ресурсов (нефти и газа) к возобновляемым. При этом КПД наиболее развитых водородно-кислородных топливных элементов достигает 70%. В сочетании с экологичностью данного типа топливных элементов это мотивирует ведущие автоконцерны к разработке автомобилей на водородном топливе. В частности, уже на протяжении 4 лет ведутся продажи серийного автомобиля Toyota Mirai. Однако широкое распространение технологии водородно-кислородных топливных элементов сдерживается высокой стоимостью используемых в них катализаторов (преимущественно на основе платины), а также проблемами хранения и безопасной транспортировки водорода. В качестве альтернативы в последние годы активно развивается направление топливных элементов, использующих жидкое топливо вместо водорода. Наиболее привлекательным в данном направлении является использование бор-содержащих соединений и, в частности, боргидрида натрия, который обладает высоким массовым содержанием водорода (10.6 вес.%) и не содержит в продуктах реакции СО (являющегося каталитическим ядом) и СО2. При этом теоретический максимальный потенциал разомкнутой цепи в случае использования кислорода на катоде составляет 1.64 В отн. НВЭ, что на 0.41 В выше по сравнению с водородно-кислородными топливными элементами. Кроме того, использование щелочных электролитов в боргидридных топливных элементах позволяет использовать катализаторы на основе неблагородных металлов, что также ведет к уменьшению стоимости всей системы. Тем не менее в настоящее время большинство катализаторов анодного процесса окисления боргидрида содержат в своем составе благородные металлы, такие как платина, и палладий (реже золото). Это обусловлено их высокой активностью при значениях потенциала близких к теоретическому. Однако в последние годы был достигнут существенный прогресс в разработке стабильных и активных катализаторов реакции окисления водорода в щелочной среде на основе никеля. Согласно данным теоретических расчетов, никель также должен проявлять высокую активность в реакции окисления боргидрида, что подтверждается рядом публикаций. В то же время в некоторых работах сообщается о незначительной активности данного металла. Для разрешения данного противоречия необходимо более детальное исследование кинетики реакции окисления боргидрида на никелевых электродах, что будет реализовано в рамках данного проекта. Согласно литературным данным, одной из ключевых стадий реакции окисления боргидрида является окисление адсорбированных на поверхности электрода атомов водорода. Для последнего процесса было установлено, что сочетание на поверхности Ni катализатора металлических и оксидных центров приводит к существенному увеличению его активности. В текущем проекте данная гипотеза будет впервые проверена применительно к реакции окисления боргидрида. Кроме того, в рамках проекта будут синтезированы и исследованы в реакции окисления боргидрида биметаллические NiAu/C и впервые NiOs/C катализаторы. Поскольку наличие металлических центров на поверхности никеля является критическим условием для протекания реакции при низких потенциалах, их стабилизация устойчивыми к окислению элементами (Au, Os) должна положительно сказаться на активности и стабильности катализатора. Кроме того, теоретические расчеты показывают, что осмий является перспективным анодным материалом для прямых боргидридных топливных элементов. Тем не менее к настоящему времени он практически не изучен. Оценка каталитической активности разработанных в рамках проекта электрокатализаторов будет проведена в трехэлектродной электрохимической ячейки методами циклической вольтаперометрии и хронопотенциометрии с применением вращающегося дискового электрода. Лучшие образцы будут также исследованы в реальных условиях функционирования прямых боргидрдных топливных элементов.