Разработка и формирование катализаторов Pt/C для низкотемпературных топливных элементов

• Автор: Воропаев, Иван Николаевич
• Шифр специальности: 02.00.15
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 126 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Топливные элементы и их классификация

1.2. Носители для катализаторов низкотемпературных топливных элементов

1.2.1. Сажи

1.2.2. Углеродные нанотрубки филаментарный углерод

1.2.3. Мезопорнстые материалы

1.2.3.1. Упорядоченные мезопорнстые материалы УММ

1.2.3.2. Углеродные гели

1.2.3.3. Сиоуниты

1.3. Электрокатализаторы
1.3.1. Компонентный состав
1.3.2. Каталитические яды
1.3.3. Способы получения высокопроцентных нанесенных катализаторов
1.3.3.1. Коллоидные методики
1.3.3.2. Микроэмульсконный метод
1.3.3.3. Пропиточные методики
1.3.3.4.1 идропиз хлоридных комплексов IV и в водных растворах
1.3.4. Влияние размера частиц платины на их каталитическу ю активность в реакции элсктроиоссгановления кислорода
1.4. Методы электрохимического охарактсризования и исследования
элекгрокаталитической активности катализаторов
1.4.1. Поляризационная кривая
1.4.2. Спектроскопия электрохимического импеданса
1.4.3. Циклическая вольтамперометрия
1.4.4. Электроокислепне адсорбированного СО
1.5. Заключение
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Материалы
2.2. Физикохимические методы исследования носителей и катализаторов
2.2.1. Низкотемпературная адсорбция азота
2.2.2. Реитгеиофазовый анализ
2.2.3. Просвечивающая электронная микроскопия
2.2.4. Импульсный метод титрования по хемосорбцин СО
2.2.5. рНмстрня водных суспензий углей
2.3. Приготовление катализаторов
2.3.1. Синтез катализаторов но литературным методикам
2.3.2. Базовая методика синтеза катализаторов
2.4. Изучение адсорбции ЬЬРЮб на углеродных носителях
2.5. Модификация углеродных носителей
2.5.1. Вариация природы функциональных групп на поверхности углеродных носителей
2.5.2. Введение в носитель микропримссси посторонних элементов
2.6. Исследование катализаторов электрохимическими методами
2.6.1. Исследование катализаторов методами ЦВА и электроокисления
адсорбированного СО
2.6.2. Тестирование катодных катализаторов в ТЭНПЭ
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СИНТЕЗА КАТАЛИЗАТОРОВ
3.1. Физикохимические свойства углеродных носителей
3.2. Влияние природы восстановителя и щелочного агента на дисперсность
катализаторов
3.3. Исследование влияния температуры осаждения платины на дисперсность
катализаторов
3.4. Эффект солевого фона на дисперсность платиновых катализаторов
3.5. Влияние химического состояния поверхности углеродного носителя на
дисперсность платины
3.6. Влияние поверхностных примесей на дисперсность нанесенной плагины
3.7. Влияние содержания нанеснного металла на дисперсность катализаторов
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ НА РАЗЛИЧНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НОСИТЕЛЯХ
4.1. Влияние субструктурных и текстурных свойств углеродных носителей на
дисперсность
4.1.1. Влияние поверхностной концентрации нанесенной платины на диснсрнсость катализаторов
4.1.2. Модель формирования платиновых катализаторов
4.2. Изучение влияния сорбционной емкости углей в отношении 2 на свойства
катализаторов
ГЛАВА 5. ТЕСТИРОВАНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ В ТЭППЭ
5.1. Исследование катализаторов на различных углеродных носителях в
водородном ТЭППЭ
5.2. Подбор оптимального носителя из углей семейства Сибунит для катодного
электрокатализатора ТЭППЭ
5.3. Физикохимические характеристики катализаторов
5.4. Тестирование катодных катализаторов в водородном ТЭППЭ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Практическое следствие этого более высокий КПД может превышать , чем у других низкотемпературных ТЭ при той же плотности тока, либо более высокая плотность тока и удельная мощность при одинаковом КПД. ТЭ на расплавленном карбонате РКТЭ. Данный тип относится к высокотемпературным устройствам. Высокая рабочая температура ТЭ С позволяет использовать в качестве топлива природный газ, который преобразуется встроенным конвертером в водород и монооксид углерода. КПД достигает . ТЭ ТОТЭ. В этих топливных элементах вместо жидкого электролита применяется твердый керамический материал, что позволяет достигать высоких рабочих температур 0С. КД составляет около . ТОТЭ могут работать па различных видах углеводородного топлива без преобразования его в водород. Таким образом, каждый из типов ТЭ нашел применение в своей области энергетики. Данная работа посвящена разработке нанесенных Р1С электрокатализаторов для ТЭППЭ с целью повышения их производительности при уменьшении общей стоимости. В природе широко известны две аллотропные формы углерода, существующие в виде различных полиморфных модификаций алмаз и графит. В течение долгого времени в качестве третьей формы рассматривали разновидности аморфного углерода. В настоящее время все формы аморфного углерода активированные угли, сажи, пнрографит, стеклоуглерод, волокна, ткани, войлоки и т. Углеродные материалы можно рассматривать как пространственносшитые полимерные вещества. В этих соединениях углерод выступает как четырехвалентный элемент и находится в одном из трех основных состояний, соответствующих ьр3 ьр2 И . V гибридизации электронов. В ряде веществ атомы углерода находятся в различных, в том числе промежуточных . Для их описания наиболее удобной представляется классификация рис. Рис. Классификационная схема аллотропных форм углерода 2. В качестве носителей для электрокатализаторов наибольшее распространение получили смешанные формы углерода сажи, углеродные нанотрубки и различные мезопористые материалы. До х годов в составе электрокатализаторов ТЭППЭ использовали преимущественно сажи. При этом наибольшее применение получила сажа V ХС. Несмотря на широкое распространение этого носителя, он обладает рядом недостатков наличие микропор обладают существенной поверхностью, однако частицы активного компонента, локализованные в их устьях, не участвуют в химической реакции изза невозможности проникновения связующего в поры, что приводит к снижению степени использования активного компонента, хрупкость агрегатов сажевых частиц приводит к чрезмерному уплотнению каталитического слоя и, в конечном итоге, затрудняет доступ реагентов к частицам активного компонента, а также отвод продуктов из зоны реакции, низкая коррозионная стойкость обусловлена низкой степенью графнтизации, что снижает срок службы МЭБ. В этой связи, в последнее время все больше внимания уделяется альтернативным углеродным носителям, характеризующимся высокой удельной поверхностью, коррозионной стойкостью и электронной проводимостью 3. При этом предпочтение отдастся мезопористым носителям с высокой долей пор размером нм, обеспечивающих контакт трех фаз активного компонента, протононроводящего связующего i и реагентов. Если раньше на рынке электрокатализаторов для ТЭППЭ присутствовали в основном катализаторы на основе сажи V ХС, то недавно ряд фирм начал производить катализаторы на основе других носителей ЕТЕК1 вес. Танака. Основные виды носителей, применяемые в настоящее время для синтеза электрокатализаторов ТЭППЭ, будут рассмотрены ниже. Сажа или технический углерод ТУ высоко дисперсный продукт неполного сгорания или термического разложения при С углеродсодержащих соединений, содержащихся в природных и промышленных газах, нефтяных остатках, каменноугольных маслах. Канальные или диффузионные сажи получают сжиганием 1дза или его смесей с маслом при температурах С в камерах с щелевыми горелками с последующим осаждением технического углерода из диффузионного пламени. Частицы получаемой сажи имеют шероховатую поверхность. Катализаторы фирмы ЕТЕК п настоящее время активно применяются в качестве образца сравнения во многих исследовательских работах.