Формирование электрокатализаторов окисления метанола и этанола вакуумным ионно-ассистируемым осаждением платины на углеродные носители

Главная » Литература » Тезисы » Формирование электрокатализаторов окисления метанола и этанола вакуумным ионно-ассистируемым осаждением платины на углеродные носители
Автор: Поплавский В.В., Бобрович О.Г., Дорожко А.В., Матыс В.Г.
Год издания: 2016

Белорусский государственный технологический университет, Минск

Электрокатализаторы окисления метанола и этанола для топливных элементов (DMFC, DEFC) формируются вакуумным ионно-ассистируемым осаждением (IBAD – ion beam assisted deposition) платины на углеродные носители AVCarb® Carbon Fiber Paper Р50 (AVCarbCFP) и Toray Carbon Fiber Paper TGP-H-060 Т (TorayCFP), предназначаемые для изготовления диффузионных слоев мембранно-электродных блоков с полимерным мембранным электролитом. Отличительной особенностью режима осаждения является использование ионов осаждаемого металла в качестве ассистирующих процессу осаждения. Осаждение металла и перемешивание осаждаемого слоя с атомами поверхности подложки ускоренными (U = 10 кВ) ионами того же металла осуществляются соответственно из нейтральной фракции пара и плазмы вакуумного (р ~10–2 Па) дугового разряда импульсного электродугового ионного источника.

Исследования состава и морфологии формируемых каталитических слоев проведены методами сканирующей электронной микроскопии, электронно-зондового микроанализа, рентгеновского флуоресцентного анализа и спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния. Активность получаемых электрокатализаторов в процессах окисления метанола и этанола изучена методом циклической вольтамперометрии в растворах 1M CH3OH + 0,5M H2SO4 и 1M C2H5OH + 0,5M H2SO4.

Получаемые слои повторяют морфологию поверхности носителей, характеризуются аморфной атомной структурой и включают атомы осаждаемого металла (Pt), соответствующего углеродного носителя (C, F) и примеси кислорода. На поверхности носителей имеются включения платины размером ~1 мкм, что обусловлено осаждением капель металла из дугового ионного источника (рис. 1).

Электронно-микроскопические изображения поверхности электрокатализаторов

Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения поверхности электрокатализаторов, сформированных осаждением платины на носители: а - AVCarbCFP; б – TorayCFP 

По данным спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния (рис. 2) толщина слоев составляет ~30–100 нм, содержание атомов осажденного металла – ~(0,1–1,0)·1017 см–2, их концентрация – несколько атомных процентов.

Спектры резерфордовского рассеяния ионов

Рис. 2. Спектры резерфордовского рассеяния ионов 4Не от поверхности электрокатализаторов, сформированных осаждением платины на носители TorayCFP и AVCarbCFP 

Полученные электрокатализаторы проявляют достаточно высокую активность в процессах окисления как этанола (рис. 3), так и метанола.

Циклические вольтамперограммы электрокатализаторов

Рис. 3. Циклические вольтамперограммы электрокатализаторов, полученных ионно-ассистируемым осаждением платины на носители: а - AVCarbCFP; б – TorayCFP, в растворе 1M C2H5OH + 0,5M H2SO4

Формирование каталитических слоев разработанным методом IBAD осуществляется при незначительных затратах активирующего металла в вакуумных условиях и, как правило, в один технологический прием, что выгодно отличается от традиционных многостадийных методов приготовления нанесенных катализаторов, основанных на пропитке носителя раствором соединения платины, ее восстановлении до металлического состояния и т. д. Содержание платины в получаемых слоях менее 0,05 мг/см2, в то время как в применяемых в настоящее время электрокатализаторах оно составляет ~0,5–5 мг/см2.

Работа выполнена в рамках государственной программы научных исследований Республики Беларусь «Физическое материаловедение, новые материалы и технологии».