Композиты на основе углеродных нанотрубок для источников тока с прямым преобразованием энергии

• Автор: Глебова, Надежда Викторовна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 169 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Определения, обозначения и сокращения - 4
Введение - 6
1. Литературный обзор
1.1 Топливные элементы и их основные этапы развития
1.2 Современные представления о механизме катодного процесса в кислородноводородных топливных элементах
1.3 Катодные материалы с повышенной эффективностью преобразования энергии
1.4 Способы формирования активных слоев МЭБ
1.5 Методы технологического контроля и характеризации при изготовлении
воздушно-водородных топливных элементов
Выводы по главе
2. Экспериментальная часть
2.1 Основные методы измерения
2.2 Технология мембранно-электродных блоков ТПТЭ
Выводы по главе
3. Теоретический анализ работы мембранно-электродного блока твердополимерного топливного элемента с протонпроводящей мембраной- 78 -Выводы по главе
4. Диспергирование УНТ
Выводы по главе
5.1 Структурные и физико-химические характеристики углеродных материалов
5.2 Получение и плазмохимическая модификация УНТ
5.3 Химическая модификация УНТ
5.4 Гелиевая пикнометрия УНТ Плазмас
Выводы по главе
6 Электрокинетические свойства материалов на основе УНТ Плазмас
6.1 Электрокаталитические характеристики УНТ
6.2 Электрокаталитические характеристики композитов Pt/C-УНТ (система
Е-ТЕК-Плазмас)
Выводы по главе
1 Моделирование структуры, теплового и водного обмена катодного слоя мембранно-электродного блока кислородно-водородного ТПТЭ [152]
7.1 Микроструктура активного слоя
7.2 Расчёт эффективных коэффициентов диффузии компонентов газовой фазы
7.3 Перенос газообразных реагентов в активных областях
Выводы по главе
8. Оптимизация катода воздушно-водородного топливного элемента и исследование электрических характеристик изготовленных мембранноэлектродных блоков
Выводы по главе

Заключение
Список использованных источников
Приложение А - Методика работы на дериватографе
Приложение Б- Список опубликованных работ
Приложение В - Акты внедрения

Определения, обозначения и сокращения
В диссертации используются следующие термины с соответствующими
определениями:
Каталитические чернила - дисперсия платинированного носителя и протонпроводящей составляющей (обычно нафион) в жидкой фазе (обычно спирты или водно-спиртовый раствор)
КПД - коэффициент полезного действия
ТЭ - топливные элементы
УНТ - углеродные нанотрубки
МСУНТ - многостенные углеродные нанотрубки
ЦВА - циклическая вольтамперометрия
ДТА - дифференциально-термический анализ
АСА - адсорбционно-структурный анализ
EDAX - Energy-dispersive X-ray spectroscopy
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
СЭМ - сканирующая электронная микроскопия
ММСУНТ - модифицированные многостенные углеродные нанотрубки
ТПТЭ — твердополимерные топливные элементы
КИТ - компактный источник тока
ВВТЭ — воздушно-водородные топливные элементы
МТЭ — метанольные топливные элементы
ХИТ — химические источники тока
АС - активный слой
МЭБ - мембранно-электродный блок
ТПВДЭ - тонкопленочный вращающийся дисковый электрод ИВТМ - измеритель температуры и влажности газа Uхх - напряжение холостого хода ВАХ - вольтамперная характеристика ПАВ - поверхностно-активное вещество

Со, а оболочку изготавливают из платиновых металлов [38]. В качестве материала — носителя катализатора обычно используют углеродную сажу, однако известно, что углерод окисляется в процессе работы элемента, что приводит к отравлению катализатора монооксидом углерода, деградации структуры активного слоя и, в конечном итоге, к падению мощности топливного элемента. По этой причине в последнее время вместо сажи ведется поиск новых носителей катализатора. Начинают все более активно использовать оксиды металлов [39] и другие материалы. Обзор по разработке новых, альтернативных углеродной саже носителей катализатора, дан в [40].
В работе каталитической системы ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной существует ряд узких мест, расшивка которых кроет большой потенциал для повышения эффективности катализа. Это: окисление углеродного носителя, вызывающее отравление платины и деструкцию активного слоя, блокирование части поверхности платиновых частиц нафионом, неоптимальный водный баланс и др. Для повышения эффективности работы активных слоев ТЭ ведется поиск новых материалов, одним из которых являются различные углеродные нанотрубки [41-54]. Благодаря уникальным структурным, механическим и электрическим свойствам, УНТ были предложены в качестве альтернативного традиционной углеродной сажи носителя [8]. В ряде работ показано, что металлические частицы могут находиться как снаружи УНТ [44-48], так и внутри них [49-54].
УНТ имеют значительно большую электронную проводимость и
пористость (мезопоры) при сравнимой с другими носителями площадью
поверхности. МитоЮ и др. отмечают, что использование платинированных
УНТ приводит к лучшей работе ТЭ, чем использование коммерческой
платинированной сажи при снижении загрузки платины на 60 % при
плотностях токов до 500 мА/см [55]. При сравнении с обычно использованной
платинированной сажей плотность мощности топливной ячейки повышается в
среднем на 20-40 %, а иногда и на 70 % [56], на 100 % [47]. Это связано не
только с тем, что поверхность нанотрубок очень велика, но и с тем, что газам и