Влияние массового содержания платины в катализаторе и состояния поверхности носителя на путь реакции восстановления кислорода в щелочном электролите

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследовано влияние природы носителя и массы платины на стабильность и электрохимические характеристики моноплатиновых катализаторов и путь реакции электровосстановления кислорода (РВК) в щелочном электролите. Катализаторы с массовым содержанием Pt 10, 20, 40, 60 мас. % были синтезированы полиольным методом на углеродных нанотрубках (УНТ), функционализованных в NaOH и допированных азотом. Активность, процент образовавшегося пероксида водорода и число электронов, участвующих в РВК, определяли по данным, полученным методом вращающегося дискового электрода с кольцом. Наибольшая селективность в РВК до воды наблюдается для катализаторов, синтезированных на УНТ, допированных азотом, и возрастает с увеличением поверхности Pt на электроде, поскольку уменьшается вклад поверхности носителя в суммарную РВК. Наличие пероксида водорода и снижение стабильности наблюдается при снижении содержания платины в составе катализатора.

Об авторах

И. Е. Вернигор

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: msnoviinna@gmail.com
Россия, Москва

В. А. Богдановская

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: bogd@elchem.ac.ru
Россия, Москва

М. В. Радина

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: bogd@elchem.ac.ru
Россия, Москва

В. Н. Андреев

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: bogd@elchem.ac.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Thandavarayan, S. and Viswanathan, S., Electrocatalysts for Low Temperature Fuel Cells. Fundamentals and Recent Trends, Weinheim, Germany: Wiley VCH, 2017. 616 p.
  2. Ramaswamy, N. and Mukerjee, S., Alkaline Anion-Exchange Membrane Fuel Cells: Challenges in Electrocatalysis and Interfacial Charge Transfer, Chem. Rev., 2019, vol. 119, p. 11945.
  3. Xing, W., Yin, G., and Zhang, J., Rotating Electrode Methods and Oxygen Reduction Electrocatalysts, 1st ed, Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 2014. p. 322.
  4. Shinozak, K., Zack, J.W., Richards, R.M, Pivovar, B.S., and Kocha, S.S., Oxygen Reduction Reaction Measurements on Platinum Electrocatalysts Utilizing Rotating Disk Electrode Technique: I. Impact of Impurities, Measurement Protocols and Applied Corrections, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 162, no.10, p. 162.
  5. Li, L., Hu, L., Li, J., and We, Z., Enhanced stability of Pt nanoparticles electrocatalysts for fuel cells, Nano Res., 2015, vol. 3, p. 418.
  6. Capelo, A., Esteves, M.A., de Sa, A.I., Silva, R.A., Cangueiro, L., Almeida, A., Vilar, R., and Rangel, C.M., Stability and durability under potential cycling of Pt/C catalyst with new surface-functionalized carbon support, Internat. J. Hydrogen Energy, 2016, vol. 41, p. 12962.
  7. Su, L., Jia, W.Z., Li, C.M., and Lei, Y., Mechanisms for enhanced performance of platinum-based electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells, ChemSusChem., 2014, vol. 7, p. 361.
  8. Timperman, L., Feng, Y.J., Vogel, W., and Alonso-Vant, N., Substrate effect on oxygen reduction electrocatalysis, Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, p. 7558.
  9. Dubau, L., Castanheira, L., Maillard, F., Chatenet, M., Lottin, O., Maranzana, G., Dillet, J., Lamibrac, A., Perrin, J.C., and Moukheiber, E., A review of PEM fuel cell durability: Materials degradation, local heterogeneities of aging and possible mitigation strategies, WIREs: Energy Environ, 2014, vol. 3, p. 540.
  10. Wang, Y.-J., Fang, B., Li, H., Bi, X.T., and Wang, H., Progress in modified carbon support materials for Pt and Pt-alloy cathode catalysts in polymer electrolyte membrane fuel cells, Progress in Mater. Science, 2016, vol. 82, p. 445.
  11. Kang, S., Kim, H., and Chung, YH., Recent developments of nano-structured materials as the catalysts for oxygen reduction reaction, Nano Converg, 2018, vol. 5, no. 13.
  12. Molina-Garcíaa, M.A. and Rees, N.V., Effect of catalyst carbon supports on the oxygen reduction reaction in alkaline media: a comparative study, RSC Adv., 2016, vol. 6, p. 94669.
  13. Samad, S., Loh, K.S., Wong, W.Y., Lee, T.K., Sunarso, J., Chong, S.T., and Wan Dau, W.R., Carbon and non-carbon support materials for platinum-based catalysts in fuel cells, Internat. J. Hydrogen Energy, 2018, vol. 43, p. 7823.
  14. Ramli, Z.A.C. and Kamarudin, S.K., Platinum-Based Catalysts on Various Carbon Supports and Conducting Polymers for Direct Methanol Fuel Cell Applications: a Review, Nanoscale Res Lett, 2018, vol. 13, no. 410.
  15. Ortíz-Herrera, J.C., Tellez-Cruz, M.M., Solorza-Feria, O., and Medina, D.I., Effect of Different Carbon Supports on the Activity of PtNi Bimetallic Catalysts toward the Oxygen Reduction, Catalysts, 2022, vol. 12, p. 477.
  16. Zhang, Q., Huang, J.-Q., Qian, W.-Z., Zhang, Y.-Y., and Wei, F., The Road for Nanomaterials Industry: A Review of Carbon Nanotube Production, Post Treatment, and Bulk Applications for Composites and Energy Storage, Small, 2013, vol. 9, p. 1237.
  17. Paraknowitsch, J.P. and Thomas, A., Doping carbons beyond nitrogen: an overview of advanced heteroatom doped carbons with boron, sulphur and phosphorus for energy applications, Energy Environ. Sci., 2013, vol. 6, p. 2839.
  18. Hu, C. and Dai, L., Doping of carbon materials for metal-free electrocatalysis, Adv. Mater., 2019, vol. 31, p. 1804672.
  19. Singh, S.K, Takeyasu, K., and Nakamura, J., Active sites and mechanism of oxygen reduction reaction electrocatalysis on nitrogen-doped carbon materials, Adv. Mater., 2019, vol. 31, p. 1804297.
  20. Zhang, X., Zhang, X., Zhao, S., Wang, Y.Q., Lin, X., Tian, Z.Q., Shen, P.K., and Jiang, S.P., Precursor modulated active sites of nitrogen doped graphene-based carbon catalysts via one-step pyrolysis method for the enhanced oxygen reduction reaction, Electrochim. Acta, 2021, vol. 370, p. 137712.
  21. Тарасевич, М.Р., Хрущева, Е.И. Филиновский, В.Ю., Вращающийся дисковый электрод с кольцом, М.: Наука, 1987. 248 с.
  22. Gloaguen, F., Andolfatto, F., Durand, R., and Ozil, P., Kinetic study of electrochemical reactions at catalyst-recast ionomer interfaces from thin active layer modelling, J. Appl. Electrochem., 1994, vol. 24, p. 863.
  23. Paulus, U.A., Schmidt, T.J., Gasteiger, H.A., and Behm, R.J., Oxygen reduction on a high-surface area Pt/Vulcan carbon catalyst: a thin-film rotating ring-disk electrode study, J. Electroanal. Chem., 2001, vol. 495, p. 134.
  24. Cardoso, E.S.F., Fortunato, G.V., and Gilberto, M., Use of Rotating Ring-Disk Electrodes to Investigate Graphene Nanoribbon Loadings for the Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Medium, ChemElectroChem., 2018, vol. 5, p. 1691.
  25. Мищенко, К.П., Равдель, А.А., ред. Краткий справочник физико-химических величин. Л.: Химия, 1974. С. 134. [Mishchenko, K.P. and Ravdel, A.A., eds. Kratkiy spravochnik fiziko-khimicheskikh velichin. (in Russian). Leningrad: Khimiya, 1974, p. 134.]
  26. Jiaa, Z., Yina, G., and Zhang, J., Rrotating ring-disk electrode method, in Rotating Electrode Methods and Oxygen Reduction Electrocatalysts. Xing, W., Yin, G., and Zhang, J., Eds, Amsterdam: Elsevier Science Ltd., 2014, p. 199.
  27. Богдановская, В.А., Кузов, А.В., Радина, М.В., Филимонов, В.Я., Сударев, Г.М., Осина, М.А. Устойчивость к деградации и активность катализаторов с различным содержанием платины, синтезированных на углеродных нанотрубках. Электрохимия. 2020. Т. 56. С. 1083. [Bogdanovskaya, V.A., Kuzov, A.V., Radina, M.V., Filimonov, V.Ya, Sudarev, G.M., and Osina, M.A., Stability against Degradation and Activity of Catalysts with Different Platinum Load Synthesized at Carbon Nanotubes, Russ. J. Electrochem., 2020, vol. 56, p. 969.]
  28. Volfkovich, Y.M., Sakars, A.V., and Volinsky, A.A., Application of the standard porosimetry method for nanomaterials, Internat. J. Nanotechnol., 2005, vol. 2, p. 292.
  29. Bogdanovskaya, V.A, Vernigor, I.E., Radina, M.V., Sobolev, V.D., Andreev, V.N., and Nikolskaya, N.F., Modified Carbon Nanotubes: Surface Properties and Activity in Oxygen Reduction Reaction, Catalysts, 2021, vol. 11, p. 1354.
  30. Bogdanovskaya, V.A, Vernigor, I.E., Radina, M.V., Andreev, V.N., Korchagin, O.V., and Novikov, V.T., Carbon Nanotube Modified by (O, N, P) Atoms as Effective Catalysts for Electroreduction of Oxygen in Alkaline Media, Catalysts, 2020, vol. 10, p. 892.
  31. Богдановская, В.А., Вернигор, И.Е., Радина, М.В., Панченко, Н.В., Андреев, В.Н. Реакция электровосстановления кислорода на модифицированных углеродных нанотрубках в щелочном электролите. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 523. [Bogda-novskaya, V.A., Vernigor, I.E., Radina, M.V., Panchenko, N.V., and Andreev, V.N., Oxygen electroreduction reaction on modified carbon nanotubes in an alkaline electrolyte, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 755.]
  32. Perazzolo, V., Brandiele, R., Durante, C., Zerbetto, M., Causin, V., Rizzi, G.A., Cerri, I., Granozzi, G., and Gennaro, A., Density Functional Theory (DFT) and experimental evidences of metalesupport interaction in platinum nanoparticles supported on nitrogen- and sulfur-doped mesoporous carbons: synthesis, activity, and stability, ACS Catal, 2018, vol. 8, p. 1122.
  33. Hansen, T.W., DeLaRiva, A.T., Challa, S.R., and Datye, A.K., Sintering of catalytic nanoparticles: Particle migration or Ostwald ripening? Acc. Chem. Res., 2013, vol. 46, p. 1720.
  34. Кнастер, М.Б., Апельбаум, Л.А. Растворимость водорода и кислорода в концентрированных растворах едкого кали. Журн. физ. химии. 1964. № 8. С. 223. [Knaster, M.B. and Apelbaum, L.A., Solubility of hydrogen and oxygen in concentrated solutions of caustic potash, J. Phys. Chem. (in Russian), 1964, no. 8, p. 223.]

Дополнительные файлы


© И.Е. Вернигор, В.А. Богдановская, М.В. Радина, В.Н. Андреев, 2023