Номер гранта: 14-29-04057

Описание проекта

Катализаторы на основе оксидов переходных металлов широко используются в низкотемпературных топливных элементах для реакции восстановления кислорода (ORR) и рассматриваются как промоторы или даже альтернативы платиновым катализаторам в спиртовых топливных элементах. Существует множество методов получения катализаторов; большинство из них страдают от крупного размера частиц, структурной эволюции со временем, необходимости повышенных температур и многостадийных схем синтеза.

Обычно такие методы дают порошки, что затрудняет равномерное нанесение на пористые подложки с высокой площадью поверхности. Предлагаемый здесь метод позволяет получать активный катализатор непосредственно из плёнок полимерных комплексов металлов путём гидролиза или термического разложения.

Ключевые особенности:

• Предшественник: полимерные плёнки комплексов металл–основание Шиффа на проводящих подложках
• Полимеры могут содержать один металл или смеси металлов, осаждаемых методом электрополимеризации для контролируемой толщины и равномерного покрытия
• Удаление органических лигандов из полимерной матрицы (термолизом или щелочным гидролизом) оставляет на подложке оксиды металлов
• Однородное распределение атомов металла в исходной плёнке приводит к образованию наноразмерных частиц гидроксида/оксида или тонких плёнок каталитического материала с регулируемым составом и размерами

Для щелочных топливных элементов катализатор может быть синтезирован in situ при запуске устройства из плёнки-предшественника — до начала эксплуатации электроды остаются неактивными и стабильными.

Преимущества:

• Состав катализатора можно широко варьировать выбором предшественника
• Техника позволяет получать равномерные покрытия наноструктурированных катализаторов простым процессом, повышая эффективность топливных элементов и снижая их стоимость

Отчёт по проекту

В рамках проекта были разработаны каталитические покрытия, закреплённые на подложках без связующих, с использованием полимерных комплексов с саленовыми лигандами типа N₂O₂, обладающих сильной адгезией к углеродным и металлическим поверхностям (за счёт хемосорбции).

Достижения:

• Синтезированы мономерные комплексы и проведена их полимеризация, получены толстые плёнки комплексов кобальта, а также беспрецедентные смешанные плёнки кобальт-никель и медь-никель
• Созданы каталитические слои с помощью:
  1. Низкотемпературного химического синтеза гидроксидных покрытий из полимерных предшественников
  2. Синтеза наночастиц благородных металлов с оксидным покрытием с использованием полимерных плёнок как шаблонов и предшественников
  3. Формирования оксидных покрытий пиролизом полимерных предшественников

Результаты:

• Разработаны тонкие нанодисперсные слои катализаторов на углеродных носителях
• Получены катализаторы ORR на основе оксидов неблагородных металлов с высокой удельной активностью (750 А/г)
• Созданы биметаллические катализаторы платина/оксид металла, обеспечивающие ток ORR 550 А/г(Pt) при загрузке платины ≤10 мкг/см²
• Продемонстрирована масштабируемость методики нанесения в прототипах алюминий-воздушных и цинк-воздушных батарей
  • Мощность в модельных системах с платиновым катализатором проекта была на 25% выше, чем у стандартных Pt-катализаторов, при значительно меньшем содержании Pt
  • Цинк-воздушный элемент с никель-оксидным катализатором проекта (в углерод-азотной матрице) имел ЭДС 1,4 В и разрядное напряжение ~1,25 В при 2 мА/см² — всего на 40–50 мВ меньше, чем у катода Pt/C (20% Pt по массе)

Заключение: Цели проекта были достигнуты; опорные каталитические покрытия без связующих были успешно испытаны в электрохимических ячейках и прототипах реальных устройств.