- Код статьи
- 10.31857/S0424857024030071-1
- DOI
- 10.31857/S0424857024030071
- Тип публикации
- Статья
- Статус публикации
- Опубликовано
- Авторы
- Том/ Выпуск
- Том 60 / Номер выпуска 3
- Страницы
- 221-234
- Аннотация
- Представлены результаты разработки и исследования катализаторов анода электролизеров разложения воды с протонообменной мембраной. Для нанесения каталитических слоев на титановый носитель использован магнетронный метод распыления композитных мишеней в вакууме. В качестве основного катализатора использовался иридий и рутений, а в качестве функциональных добавок молибден, хром, титан. Изучены электрохимические и структурные характеристики каталитических покрытий. Методами вольт-амперометрии получены циклические вольт-амперные и анодные характеристики каталитических композиций, в том числе при различных температурах последующей термообработки на воздухе, а также различных температурах измерений. Определены тафелевские наклоны вольт-амперных характеристик композитных анодов, а также токи при потенциале 1.55 В (ОВЭ). Показано, что минимальные наклоны получены для каталитической композиции Ir–Ru–Mo–Ti (b = 40–63 мВ/дек), а максимальные токи для каталитической композиции Ir–Mo–Cr (i = 100–110 мА/см2 при E = 1.55 В (ОВЭ)). Показано, что величина адсорбционных токов ЦВА в анодной области потенциалов коррелирует с коэффициентом b уравнения Тафеля E–lg i и определяет количество каталитических центров для стадии депротонизации реакции выделения кислорода (РВК). Однако активность катализатора в РВК определяется не только количеством таких центров, а в основном функциональными особенностями самого катализатора, т.е. составом катализатора и условиями его получения (в том числе температурой последующей термообработки катализатора на воздухе). Более высокую активность в РВК имеют каталитические композиции на основе иридия с добавками молибдена и хрома. Структурные исследования показали, что при магнетронном распылении композитных мишеней даже при небольших закладках катализатора формируются дисперсные структуры, которые на реальных пористых титановых анодах должны формироваться на фронтальной поверхности с более высоким содержанием катализатора.
- Ключевые слова
- электролизер разложения воды протонообменная мембрана анод функциональная добавка магнетрон композитная мишень
- Дата публикации
- 15.03.2024
- Год выхода
- 2024
- Всего подписок
- 0
- Всего просмотров
- 39
Библиография
- 1. Нефедкин, С.И. Автономные энергетические установки и системы. М.: Изд. МЭИ, 2018. 220 с. ISBN 978-5-7046-1847-8
- 2. Кулешов, Н.В., Попов, С.К., Захаров, С.В., Нефедкин, С.И., Кулешов, В.Н., Петин, С.Н., Рогалев, А.Н., Фатеев, В.Н. Водородная энергетика: Учебник. М.: Изд. МЭИ, 2021. – 546 с. ISBN 978-5-7046-2438-7
- 3. https://newatlas.com/energy/worlds-largest-offshore-wind-farm-hornsea-first-power/.
- 4. Park, S., Shao, Y., Liu, J., and Wang, Y., Oxygen electrocatalysts for water electrolyzers and reversible fuel cells: status and perspective, Energy Environ Sci., 2012, vol. 5, p. 9331.
- 5. Carmo, M., Fritz, D.L., Mergel, J., and Stolten, D., A Comprehensive Review on PEM Water Electrolysis, Intern. J. Hydrogen Energy, 2013, vol. 38, p. 4901.
- 6. Kadakia, K., Datta, M.K., Velikokhatnyi, O.I., Jampani, P., Park, S.K., Saha, P., Poston, J.A., Manivannan, A., and Kumta, P.N., Novel (Ir,Sn ,Nb)O 2 anode electrocatalysts with reduced noble metal content for PEM based water electrolysis, Intern. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, p. 3001.
- 7. Kadakia, K., Datta, M.K., Velikokhatnyi, O.I., Jampani, P.H., and Kumta, P.N., Fluorine doped (Ir,Sn ,Nb)O 2 anode electro-catalyst for oxygen evolution via PEM based water electrolysis, Intern. J. Hydrogen Energy, 2014, vol. 39, p. 664.
- 8. Петрий, O.A. Электросинтез наноструктур и наноматериалов. Успехи химии. 2015. Т. 84. С. 159.
- 9. Yagi, M., Tomita, E., and Kuwabara, T., Remarkably high activity of electrodeposited IrO 2 film for electrocatalytic water oxidation, J. Electroanal. Chem., 2005, vol. 579, p. 83.
- 10. El Sawy, E.N. and Birss, V.I., Nano-porous iridium and iridium oxide thin films formed by high efficiency electrodeposition, J. Mater. Chem., 2009, vol. 19, p. 8244.
- 11. Xu, J., Liu, G., Li, J., and Wang, X., The electrocatalytic properties of an IrO 2 /SnO 2 catalyst using SnO2 as a support and an assisting reagent for the oxygen evolution reaction, Electrochim. Acta, 2012, vol. 59, p. 105.
- 12. Mayousse, E., Maillard, F., Fouda-Onana, F., Sicardy, O., and Guillet, N., Synthesis and characterization of electrocatalysts for the oxygen evolution in PEM water electrolysis, Intern. J. Hydrogen Energy, 2011, vol. 36 (17), p. 10474.
- 13. Wu, X., Tayal, J., Basu, S., and Scott, K., Nano-crystalline Ru x Sn1-xO 2 powder catalysts for oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysers, Intern. J. Hydrogen Energy, 2011, vol. 36, p. 14796.
- 14. De Pauli, C.P. and Trasatti, S., Electrochemical surface characterization of IrO 2 +SnO 2 mixed oxide electrocatalysts, J. Electroanal. Chem., 1995, vol. 396, p. 161.
- 15. De Pauli, C.P. and Trasatti, S., Composite materials for electrocatalysis of 02 evolution: IrO 2 +SnO 2 in acid solution, J. Electroanal. Chem., 2002, vol. 538–539, p. 145.
- 16. Fierro, S., Kapałka, A., and Comninellis, C., Electrochemical comparison between IrO 2 prepared by thermal treatment of iridium metal and IrO 2 prepared by thermal decomposition of H 2 IrCl 6 solution, Electrochem. Commun., 2010, vol. 12, p. 172.
- 17. Murakami, Y., Tsuchiya, S., Yahikozawa, K., and Takasu, Y., Preparation of ultrafine IrO 2 -Ta 2 O 5 binary oxide particles by a sol-gel process, Electrochim. Acta, 1994, vol. 39, p. 651.
- 18. Marshall, A., Børresen, B., Hagen, G., Tsypkin, M., and Tunold, R., Electrochemical characterisation of Ir x Sn 1-x O 2 powders as oxygen evolution electrocatalysts, Electrochim. Acta, 2006, vol. 51, p. 3161.
- 19. Marshall, A.T., Sunde, S., Tsypkin, M., and Tunold, R., Performance of a PEM water electrolysis cell using Ir x Ru y Ta z O 2 electrocatalysts for the oxygen evolution electrode, Intern. J. Hydrogen Energy, 2007, vol. 32, p. 2320.
- 20. Song, S., Zhang, H., Ma, X., Shao, Z., Baker, R.T., and Yi, B., Electrochemical investigation of electrocatalysts for the oxygen evolution reaction in PEM water electrolyzers, Intern. J. Hydrogen Energy, 2008, vol. 33, p. 4955.
- 21. Tolstoy, V.P., Kaneva, M.V., Lobinsky, A.A., and Koroleva, A.V., Direct successive ionic layer deposition of nanoscale iridium and tin oxide on titanium surface for electrocatalytic application in oxygen evolution reaction during water electrolysis in acidic medium, J. Alloys and Compounds, 2020, vol. 834, p. 155205.
- 22. Нефедкин, С.И, Климова, М.А., Рябухин, А.В., Чижов, А.В., Левин, И.И. Каталитические композиции, полученные в магнетроне из композитных мишеней для электродов топливных элементов и электролизеров с протонообменной мембраной. Российские нанотехнологии. 2021. Т. 16. № 4. С. 126.
- 23. Нефедкин, С.И, Климова, М.А., Коломейцева, Е.А., Клочнев, М.К., Левин, Э.Е., Петрий, О.А. Дисперсные катализаторы на основе Pt и Ir, синтезированные в магнетроне, для электролизеров воды с твердым полимерным электролитом. Электрохимия. 2017. Т. 53. С. 321. https://doi.org/10.7868/S04248570170301122
- 24. Sudipta, De, Zhang, Jiaguang, Luque, Rafael, and Yan, Ning, Ni-based bimetallic heterogeneous catalysts for energy and environmental applications, Energy Environ. Sci., 2016, vol. 9, p. 3314
