Получение и физико-химические свойства электродных материалов на основе полимерных мембран, содержащих наночастицы платины, палладия, железа и серебра

• Автор: Большакова, Александра Николаевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Мембранноэлектродный блок топливного элемента

1.1.1 Перфорированные ионообменные мембраны

1.1.2 Углеродные носители

1.1.3 Наночастицы металлов в обратномицеллярных системах

1.1.3.1 Радиационнохимическое восстановление ионов металлов

1.1.3.2 Химическое восстановление ионов металлов Глава 2. Методики эксперимента

2.1. Материалы и реактивы

2.2. Приборы и оборудование

2.3. Методы исследования
2.3.1 Спектрофотометрия
2.3.2 Атомносиловая микроскопия
2.3.3 Растровая электронная микроскопия
2.3.4 Фотоннокорреляционная спектрофотометрия
2.3.5 Циклическая вольтамперометрия
2.3.5.1 Электродные материалы
Глава 3. Экспериментальная часть. Формирование нанокомпозитных материалов
3.1 Синтез наночастиц платины, палладия, железа и серебра из растворов обратных мицелл
3.2 Синтез нанокомпозитов
3.2.1 Нанокомпозиты на основе углеродных носителей сажи ХС
и углеродных нанотрубок
3.2.2 Полимерные нанокомпозиты на основе раствора
и пленки Нафион
Глава 4. Результаты и обсуждение
4.1 Фзиикохимические характеристики наночастиц платины, палладия, железа и серебра в растворах обратных мицелл
4.2 Исследование физикохимических свойств нанокомпозитов
4.2.1 Нанокомпозиты на основе углеродных носителей
4.2.2 Металлополимерные нанокомпозиты
4.3 Каталитическая активность и стабильность
электродных металлополимерных материалов
Выводы
Литература


Но пока теоретически предсказать наилучший катализатор невозможно. Главным направлением в разработке ТЭ являются снижение загрузки платины, улучшение газопроницаемости, повышение электронной и протонной проводимости 1. При разработке каталитических композиций для топливных элементов одной из основных тенденциий в снижении содержания металлов платиновой группы является выбор носителя. При использовании нанокомпозитных катализаторов и носителя с большой удельной площадью поверхности можно добиться существенного снижения загрузки катализатора при сохранении или увеличении электрокаталитической активности полученной композиции 2. Для обеспечения хорошей электронной и ионной проводимости в каталитическом слое необходимо существование систем замкнутых частиц катализатора, электролита и пор носителя. Электронная проводимость системы каталитических частиц сильно зависит от объемной концентрации катализатора в слое. При низкой объемной концентрации частицы не замкнуты друг с другом и каталитический слой не работоспособен. Проводимость каталитического слоя также определяется средним размером кластеров катализатора, объемное распределение которых носит вероятностный характер, поэтому на проводимость влияет и форма кластеров. Согласно положениям теории перколяции 3, для прямоугольной решетки катализатора предел перколяции составляет в случае сферических кластеров. При их удлиненной, цепочечной форме предел перколяции снижается до по причине большей вероятности контакта кластеров друг с другом 4. В последнее время много разработок связано с созданием биметаллических наноструктур Р1, Рс1 нанесенных на углеродную сажу, углеродные нанотрубки и наиоволокна 5. В состав каталитической композиции входят также различные компоненты для придания слою гидрофобных свойств фторопласт и улучшения адгезии глицерин. Следует отметить, что существуют реальные предпосылки создания неплатиновых электрокатализаторов для систем с ТГ1Э. При этом даже если такие электрокатализаторы будут иметь более низкую по сравнению с платиносодержащим катализатором удельную электрокаталитическую активность, общая активность каталитических слоев может быть практически равна активности каталитических слоев на основе платины за счет большего содержания неплатиновых электрокатализаторов. Так, в случае электрокатализаторов для кислородного электрода биотопливных элементов с ТПЭ, перспективными являются фталоцианины и порфирины металлов, в которых ион металла связан с четырьмя атомами азота 4комплексы металлов. В качестве электрокатализаторов для водородного электрода перспективными являются системы металлуглерод, например, карбиды металлов переходные металлы и, в первую очередь, вольфрам. Мембрана с ионной проводимостью и каталитические слои являются обязательными структурными единицами любого топливного элемента. Мембрана представляет собой пленку из. Вода при контакте с полимером группируется вблизи . В этой области кроме воды содержатся различные гидратированные формы протона, которые свободно перемещаются. Таким образом, гидрофильная часть полимера обеспечивает эффективный протонный транспорт, в то время как гидрофобная часть стабилизирует морфологию мембран, обеспечивая их механическую прочность. Гидрофобная часть полимера может содержать алифатические, ароматические фторированные или нефторированные фрагменты. В качестве, кислотных групп, генерирующих протоны, чаще всего используют сульфогруппы, реже кислотные остатки фосфорной кислоты. Считается,, что сульфированные полимеры эффективнее работают в присутствии водяных паров в окружающей их атмосфере, в то время как фосфорилированные полимеры более термостойки и их проводимость меньше зависит от влажности. Чтобы повысить проводимость мембраны в гидрофильную часть вводят водорастворимые протоногенерирующие добавки обычно, сильные кислоты, наноразмерные оксиды или твердые электролиты. Иногда протоногенерирующие добавки вводят в полимерную непроводящую матрицу. В этом случае гидрофильный регион образуется за счет координации воды вокруг введенной добавки с последующим фазовым расслоением.