Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Створення наноструктурованих Me-N-C електрокаталізаторів відновлення кисню на основі азотвмісних супряжених полімерів та графенових матеріалів для низькотемпературних паливних комірок

КМікрофотографія ТЕМ (а) та циклічні вольтамперограми (б) Co-N-C нанокомпозиту, одержаного із використанням полі-м-фенілендіаміну та оксиду графену

Області застосування

Як електрокаталізатори реакції відновлення кисню (РВК) для низькотемпературних воднево-кисневих паливних комірок (ПК), в тому числі з твердополімерним електролітом. Можливе використання також у спиртово-кисневих ПК та метал-повітряних хімічних джерелах струму.

Короткий опис

Наноструктуровані Co-N-C та Fe-N-C-електрокаталізатори РВК, що не містять благородних металів, які одержані шляхом високотемпературної обробки в інертній атмосфері азотвмісних спряжених полімерів (N-СП) (полі-м-фенілендіаміну – ПМФДА, полі-5-аміноіндолу, полі-2,6-діамінопіридину та ін.), солей d-металів (Co або Fe) та нанорозмірних вуглецевих матеріалів (ацетиленової сажі, оксиду графену, немодифікованого багатошарового графену та модифікованого атомами азоту та ін.).

Очікувані властивості

Одержані Fe-N-C електрокаталізатори характеризуються у 0,05 М H2SO4 потенціалами появи каталітичного струму (Eonset) ~ 820-860 мВ, а Co-N-C електрокаталізатори – ~ 775-800 мВ (відн. RHE). Електрокаталізаторам притаманна висока стабільність у процесі тривалого функціонування. Розроблені Co-N-C електрокаталізатори мають біфункціональну природу, проявляючи активність не тільки у реакції відновлення кисню, але й у важливому процесі електрохімічного виділення водню з води.

Переваги

Низька собівартість, що обумовлена відсутністю в складі електрокаталізаторів платини та інших благородних металів; толерантність до метанолу та СО; здатність до функціонування у водних електролітах в широкому інтервалі рН; можливість використання при формуванні Co-N-C композитів суміші відповідного мономеру з окисником замість попередньо одержаного N-СП, що дає змогу уникнути зайвої стадії при одержанні такого типу матеріалів.

Конкуренти

Наскільки відомо виконавцям проекту Me-N-C електрокаталізатори відновлення кисню для ПК на сьогоднішній день не комерціалізовані. Дослідження в напрямку створення таких електрокаталізаторів проводяться в наукових центрах ряду країн ЄС, США, Китаю, Японії та ін. Одержані Co-N-C електрокаталізатори РВК не поступаються за своїми характеристиками відомим аналогам.

Стан розробки

Розроблені методи одержання Me-N-C (Ме = Со, Fe) електрокаталізаторів РВК на основі N-СП, в тому числі із використанням графенових матеріалів; досліджено їхній склад, будову, фізико-хімічні та електрохімічні властивості. Показано, що заміна ацетиленової сажі на графенові матеріали забезпечує більшу активність Co-N-C композитів у РВК, що, перш за все, проявляється у значному збільшенні каталітичного струму внаслідок високої електрохімічно активної площі поверхні таких композитів. На підставі експериментальних даних зроблено висновок щодо механізму РВК на одержаних Co-N-C електрокаталізаторах. Проведено тестування розроблених Co-N-C електрокаталізаторів РВК у виготовленому макеті ПК.

Інтелектуальна власність

Патент України № 115272. Електрохімічний спосіб одержання багатошарового графену, модифікованого азотом / Я.І. Курись, О.О. Уставицька, В.Г. Кошечко, В.Д. Походенко – Опубл. 10.04.2017; бюл. № 7.

Контактна інформація

Виконавець: Інститут фізичної хімії ім. Л.В.Писаржевського НАН України

Проект 24 «Створення наноструктурованих Me-N-C електрокаталізаторів відновлення кисню на основі азотвмісних супряжених полімерів та графенових матеріалів для низькотемпературних паливних комірок»

Контактна особа:

Teл. +380 44 525-75-77

Е-mail: kurys@inphyschem-nas.kiev.ua