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

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).

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.

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.

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