Технология и структурные характеристики электродного материала системы Pt/C-ТАУНИТ МД-NAFION

Краснова А.О.^1,2, Глебова Н.В.², Нечитайлов А.А.²

1-Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет), кафедра технологии электрохимических производств

2-Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН

Актуальность поиска новых материалов для электрохимических установок прямого преобразования энергии связана с необходимостью существенного повышения их эффективности в ближайшее время. Одним из перспективных направлений увеличения эффективности является снижение массотранспортных потерь при функционировании устройства на топливном элементе. В работах авторов [1, 2] представлены положительные результаты введения в электродный материал структурирующей добавки углеродных нанотрубок с целью увеличения как общей пористости, так и увеличения доли транспортных пор. В результате электроды мембранно-электродных блоков (МЭБ) показали меньшее диффузионное сопротивление и большую плотность тока короткого замыкания. Развитием этого направления является использование функциональных добавок с очень высокой пористостью (≥80%). К таким материалам относятся многостенные углеродные нановолокна (УНВ) типа Таунит отечественного производства (г. Тамбов) [3]. Такой подход интересен тем, что при минимальном разбавлении электродного материала структурирующая добавка позволяет достигнуть существенного модифицирования пористой структуры.

Целью работы явилась разработка лабораторной технологии и исследования особенностей структурообразования электродного материала, содержащего платинированную углеродную сажу, Nafion и структурирующую добавку УНВ типа Таунит МД с высокой пористостью.

В работе использовали: коммерческую платинированную углеродную сажу типа Vulcan-XC-72 (Pt/C) (коммерческое название E-TEK) с содержанием платины 40% и структурно-идентичную не платинированную углеродную сажу типа Vulcan XC-72 (далее Vulcan); многостенные УНВ типа Таунит МД; водно-спиртовый раствор протонпроводящего полимера Nafion фирмы Ion Power Inc; протонпроводящую мембрану типа МФ4-СК производства ОАО «Пластполимер» толщиной 50 мкм.

Структура углеродных материалов исследовалась методом низкотемпературной адсорбции азота и с помощью электронной микроскопии.

В основу технологии композитного электродного материала положено последовательное выполнение следующих технологических операций: механическое смешивание точных навесок исходных компонентов, ультразвуковое диспергирование, изготовление слоев (электродов) на протонпроводящей мембране.

Пористость и объемную долю компонентов слоев различного состава вычисляли по известным формулам исходя из компонентного состава и объема слоя материала. Толщину слоя измеряли толщиномером с разрешением 0.5 мкм в 10 различных точках поверхности слоя. За результирующее значение толщины брали среднее арифметическое. Микроструктуру образцов изучали методом электронной микроскопии: сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) с полевой эмиссией (FE-STEM) на электронном микроскопе Hitachi SU8000.

Таблица 1 – Компонентный состав исследованных образцов 

 Рис. 1. СЭМ изображения электродного материала образцов: а) НАНГ-67 состава: Pt/C 30%; Таунит МД 30%; Nafion 40%

В результате была разработана лабораторная технология электродного материала, содержащего платинированную углеродную сажу и протонпроводящий полимер Nafion. Выявлены экспериментальные зависимости, связывающие свойства и структуру электродного материала с его составом и технологией:

1. Композитный электродный материал, содержащий платинированную углеродную сажу, углеродные нановолокна типа Таунит МД и протонпроводящий полимер Nafion имеет два участка зависимости пористости от содержания УНВ: до 25%  - пористость мало зависит от содержания УНВ, при дальнейшем увеличении содержания УНВ пористость существенно увеличивается. Это объясняется встраиванием, до определенного предела, относительно небольшого размера структурных элементов углеродной сажи в пустоты УНВ.

2. Увеличение содержания протонпроводяшего полимера Nafion в диапазоне 20-60% приводит к существенному уменьшению пористости материала.

3. Введение предварительно скоагулированного Nafion способствует образованию его агломератов характерным размером 200-400 нм, в случае же введения Nafion в виде коллоидного раствора он структурируется в материале в форме пленки.

Экспериментальные исследования выполнены при частичной финансовой поддержке программ: РФФИ № 16-08-00797, Грант Президента РФ № 14.W01.15.4517-МК.

Литература

• [1] Глебова Н.В., Нечитайлов А.А., Краснова А.О. и др. // ЖПХ. 2015. Т. 88, вып. 5. С. 726-731;
• [2] Нечитайлов А.А., Глебова Н.В., Краснова А.О. и др. // ЖТФ. 2015. Т. 85, вып. 11. С. 97-102;
• [3] http://www.rusnanonet.ru/goods/20235/;
• [4] Качала В.В., Хемчян Л.Л., Кашин А.С., Орлов Н.В. и др. Успехи химии. 2013. 82. C. 648 – 685.
• [5] www.idtechex.com – Hydrogenand Fuel Cells 2014-2025:Forecasts, Technologies, Markets.