Разработка анодного материала для прямого этанольного топливного элемента

• Автор: Корчагин, Олег Вячеславович
• Шифр специальности: 05.17.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Введение

Раздел 1. Обзор литературы

1.1. Структура и характеристики низкотемпературного спиртового топливного элемента.

1.2. Катализаторы на основе платины и ее сплавов.

1.2.1. Особенности процесса элсктроокисления этанола на платине

1.2.2. Полиметаллические катализаторы на основе платины. Система

1.3. Бесплатиновые катализаторы.

1.4. Хемосорбция низкомолекулярных спиртов на металлах платиновой группы.

1.4.1. Методы изучения хемосорбции спиртов.

1.4.2. Хемосорбция и дегидрирование этанола

1.5. Методы синтеза катализаторов на углеродных подложках

1.6. Влияние природы материаланосителя на активность каталитической системы
1.7. Применение углеродных наноматериалов в качестве компонентов каталитических слоев спиртовых ТЭ
1.7.1. Способы получения и свойства УНМ
1.7.2. Методы модифицирования УНМ
1.7.3. Основные направления применения УНМ в составе прямого спиртового ТЭ
1.7.4. Сопоставление УНМ и саж в качестве носителей для катализаторов электроокисления спиртов.
1.8. Задачи исследования.
Раздел 2. Объекты н методы экспериментальных исследований
2.1. Характеристики использованных углеродных наноматериалов.
2.2. Синтез и исследование катализаторов ПБпУНМ.
2.2.1. Синтез катализаторов РБпУНМ.
2.2.2. Методы исследования катализаторов РеЯпУНМ
2.2.2.1. Физикохимические методы анализа
. Электрохимические методы исследования
2.2.2.3. Методика проведения хроматографического анализа.
2.2.3. Методы формирования АС и МЭБ и проведение их испытаний
в составе ТЭ.
2.3. Синтез и исследование катализаторов КиУОхУНМ
2.3.1. Синтез катализаторов ЯиУОхУНМ.
2.3.2. Изучение электрохимических свойств катализаторов ЯиУОхУНМ.
2.3.3. Методы формирования и испытания электродов на основе катализатора КиУОхУНМ в составе ТЭ с жидким щелочным электролитом.
2.4. Методика исследования адсорбции и дегидрирования этанола
2.4.1. Методика измерения кинетических и концентрационных зависимостей адсорбции
2.4.2. Методика исследования дегидрирования этанола .
2.5. Растворы и реактивы.
Раздел 3. Результаты экспериментов и их обсуждение.
3.1. Исследование процесса электроокисления этанола в кислой среде на поверхности бинарного катализатора Р1зБп, синтезированного на углеродных наноматериалах.
3.1.1. Электрохимические свойства исследованных материаловносителей.
3.1.2. Особенности структуры катализатора ПзБпУН
3.1.3. Электроокисление этанола в модельных условиях на каталитических системах Р1зБпУНМ.
3.1.4. Исследование электрохимической стабильности каталитической системы РТз8пУНТ2.
3.1.5. Влияние высокотемпературной обработки на свойства углеродных нанотрубок как материаланосителя катализатора
3.1.6. Испытание катализатора Р1з8пУНТ2 в составе анодного активного слоя ячейки прямого этанольнокислородного ТЭ
3.2. Электроокисление этанола в щелочной среде на каталитической системе ЯиУО, синтезированной на углеродных наноматериалах
3.2.1. Электрохимическое поведение катализаторов на основе рутения в среде 1 МКОН
3.2.2. Оптимизация состава каталитической системы ЯиУОУНТ 1 и
3.2.3. Исследование активности и стабильности оптимизированной системы 1ЪдУОхУНТ в зависимости от концентрации С2Н5ОН и КОН.
3.2.4. Влияние высокотемпературной предобработки носителя на электрохимические свойства катализатора 1ЪтУОхУНТ
3.2.5. Испытание катализатора ЯиУОхУНТ в составе анода прямого
этанольиовоздушного ТЭ со щелочным электролитом.
3.3. Адсорбция и дегидрирование этанола на высоко дисперсных рутениевых катализаторах в щелочной среде.
3.3.1. Исследование кинетических и концентрационных зависимостей адсорбции этанола на катализаторах ЯиМОхХС
3.3.2. Влияние состава активной фазы катализатора иМОхХС на параметры адсорбции этанола
3.3.3. Зависимость характера адсорбционных процессов от величины потенциала.
3.3.4. Особенности хемосорбции и дегидрирования этанола в области небольших анодных поляризаций
3.3.5. Адсорбция и элсктрокатализ реакции окисления этанола на катализаторах КльМОх. Построение модели адсорбционного центра
катализатора.
Выводы.
Список литературы


Следует отметить, что показатели скорости и глубины РОЭ, достигаемые при использовании лучших среди разработанных к настоящему вре
мени катализаторов, не позволяют приблизиться к созданию этанольного ТЭ, конкурирующего с прототипами, использующими в качестве топлива водород и метанол. Задача оптимизации этанольного ТЭ требует комплексного подхода, при этом решающее значение имеют такие направления, как разработка состава активной металлической фазы катализатора, поиск наиболее эффективного носителя, а также исследование влияния температуры и электролита на скорость и селективность РОЭ. В течение последних ти лет с использованием как исключительно электрохимических методов исследования, так и в комплексе с различными аналитическими методами, был собран значительный объем данных о закономерностях процесса электроокисления этанола с использованием платины в качестве основного электродного материала 3. Схема 1. Ниже на примере платинового катализатора кратко рассмотрим основные факторы, определяющие природу промежуточных стадий, селективность и общую скорость РОЭ
1. Кристаллическая структура катализатора в составе анода. При сопоставлении параметров процесса элсктроокисления этанола на различных гранях монокристалла платины с низкими индексами авторами был составлен следующий ряд активности в кислой среде 0 0 1. В свою очередь, по данным , скорости процесса элсктроокисления на неупорядоченной поверхности монокристалла 1 и полнкристаллической платине примерно одинаковы и в раза превосходят результаты, полученные на грани 1 с упорядоченной поверхностью. Это также соответствует результатам работы , согласно которым энергия разрыва связи СС на поликристаллической платине ниже, чем на 1. Существенные изменения механизма и скорости реакции электроокисления спиртов происходят при переходе от гладкой к высокодисперсной платине . Применение платиновых катализаторов без носителей, а также сформированных на поверхности углеродных или металлоксидных материалов. В настоящее время в технологии ТЭ отдается предпочтение катализаторам, сформированным на подложках с развитой поверхностью, которые обеспечивают высокую дисперсность металлической фазы катализатора и за счет пористой структуры создают эффективные условия для массопереноса реагентов. Кроме того, использование углеродных носителей облегчает процесс регенерации катализатора благодаря возможности восстановления окисленной платины материалом подложки . Температура процесса электроокисления, а также состав используемого электролита. Как показано в работе 8, в области низких температур до С основными продуктами реакции электроокисления этанола являются ацетальдегид и уксусная кислота. Повышение температуры до 0 С является одним из способов увеличения глубины электроокнеления , однако диктует особые требования к элементам конструкции ячеек ТЭ, а также к типу используемых электролитов. НСОапс НадС ОНС 2Н 1. При переходе от концентрированных растворов этанола к разбавленным наблюдается увеличение глубины РОЭ. Данная закономерность обусловлена различиями в составе и энергетическом состоянии частиц, адсорбирующихся на поверхности электрода в том и другом случае. Более подробно этот вопрос будет обсуждаться в параграфе 1. Величина анодной поляризации. В области потенциалов ниже 0,6 В здесь и далее потенциалы приведены относительно обратимого водородного электрода сравнения о. В, окисление этанола протекает преимущественно до ацетальдегида. При дальнейшем смещении потенциала до 0,,8 В возрастает выход уксусной кислоты , что связано как с дальнейшим окислением ацетальдегида, так и с окислением прочно хемосорбированпых на электроде продуктов диссоциативной адсорбции этанола так называемых ПХВ . Образование ПХЗ, блокирующих поверхность платины в области потенциалов работы спиртового анода до 0,,5 В ограничивает практическое применение моноплатиновых катализаторов. Поэтому одним из приоритетных направлений разработки катализаторов на основе платины является создание би и гриметаллических систем, обеспечивающих оптимальный каталитический эффект благодаря механизму1 бифункционального катализа , . Полиметаллические катализаторы на основе платины.