Углеродные нановолокнистые газодиффузионные аноды на основе сополимера акрилонитрила с метилакрилатом для среднетемпературного топливного элемента

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Топливные элементы на полибензимидазольной (ПБИ) мембране относятся к типу высокотемпературных топливных элементов на полимерно-электролитной мембране (ВТ-ПОМТЭ от англ. HT-PEMFC) или среднетемпературных топливных элементов по более общей классификации. При использовании полимерно-электролитного комплекса полибензимидазолов (ПБИ) с о-фосфорной кислотой (ФК) в качестве протонпроводящей мембраны, протонная проводимость обеспечивается без увлажнения при температурах выше 120°C. Водородно-воздушные ВТ-ПОМТЭ способны эффективно работать при 150°–200°C, что в качестве топлива позволяет использовать конверсионный водород, загрязненный CO. Однако следует отметить, что традиционные “тонкопленочные” Pt/C электроды на основе электропроводящей сажи с наночастицами платины в агрессивной среде ФК подвергаются электрохимической коррозии, что приводит к потере частиц Pt электрокатализатора и их агрегации (оствальдовское созревание). Очевидно, что существует необходимость замены сажи на более устойчивые наноструктурированные углеродные материалы. Ранее было показано, что самонесущие маты (по сути, “войлоки”), на основе углеродных нановолокон (УНВ) потенциально могут использоваться в качестве анодов ВТ-ПОМТЭ. УНВ-маты получали в три стадии. На первом этапе из раствора сополимера акрилонитрила с метилакрилатом с добавкой ZrCl4 получали нановолокнистый материал-прекурсор методом электроспининга. Затем проводилась термо-окислительная стабилизация матов (350°С, воздух). После чего УНВ выдерживались в растворе Zn(NO3)2 (порообразователь), и проводился пиролиз (1000°С, вакуум). Для улучшения протонной проводимости, на поверхность полученных УНВ матов наносили N-этилфосфонированный кардовый ПБИ (PBI-OPhT-P), который приводит к улучшению рабочих характеристикик ВТ-ПОМТЭ. Полученные материалы были исследованы методами электронной микроскопии. Методом адсорбции N2 и CO2 проанализированы их удельные площадь поверхности и объем (достигают 597 м2/г и 0.170 см3/г). После платинирования изученные УНВ были успешно протестированы в качестве анодов (до 0.4 мА/см2 при 625 мВ) водородо-воздушного ВТ-ПОМТЭ.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. С. Втюрина

Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН

Email: kskupov@ineos.ac.ru
Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1

К. М. Скупов

Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1

И. И. Пономарев

Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН

Email: kskupov@ineos.ac.ru
Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1

А. Г. Буяновская

Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН

Email: kskupov@ineos.ac.ru
Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1

Ив. И. Пономарев

Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН

Email: kskupov@ineos.ac.ru
Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1

О. М. Жигалина

ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН

Email: kskupov@ineos.ac.ru

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН

Россия, Москва,119333, Ленинский проспект, д. 59

Е. Н. Черковский

ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН

Email: kskupov@ineos.ac.ru

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН

Россия, Москва,119333, Ленинский проспект, д. 59

Д. Н. Хмеленин

ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН

Email: kskupov@ineos.ac.ru

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН

Россия, Москва,119333, Ленинский проспект, д. 59

Список литературы

  1. Escorihuela J., Olvera-Mancilla J., Alexandrova L. et al. // Polymers. 2020. V. 12. P. 1861. https://doi.org/10.3390/polym12091861
  2. Kalathil A., Raghavan A., Kandasubramanian B. // Polym.-Plast. Tech. Mat. 2019. V. 58. P. 465. https://doi.org/10.1080/03602559.2018.1482919
  3. Chandan A., Hattenberger M., El-kharouf A. et al. // J. Power Sources. 2013. V. 231. P. 264. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.11.126
  4. Araya S.S., Zhou F., Liso V. et al. // Int. J. Hydrog. Energy. 2016. V. 41. P. 21310. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.09.024
  5. Myles T., Bonville L., Maric R. // Catalysts. 2017. V. 7. P. 16. https://doi.org/10.3390/catal7010016
  6. Lipman T. Weber A. Fuel Cells and Hydrogen Production. Encyclopedia of Sustainability Science and Technology Series / New York: Springer, 2019. P. 477. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-7789-5_143
  7. Zeis R. // Beilstein. J. Nanotechnol. 2015. V. 6. P. 68. https://doi.org/10.3762/bjnano.6.8
  8. Agmon N. // Chem. Phys. Lett. 1995. V. 244. P. 456. 10.1016/0009-2614(95)00905-J' target='_blank'>https://doi: 10.1016/0009-2614(95)00905-J
  9. Authayanum S., Im-orb K., Arpornwichnop A. // Chin. J. Catal. 2015. V. 36. P. 473. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(14)60272-2
  10. Quartarone E., Angioni S., Mustarelli P. et al. // Materials. 2017. V. 10. P. 687. https://doi.org/10.3390/ma10070687
  11. Rosli R.E., Sulong A.B., Daud W.R.W. et al. // Int. J. Hydrog. Energy. 2017. V. 42. P. 9293. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.211.
  12. Zhang J. PEM Fuel Cell Electrocatalyst and Catalyst Layers / London: Springer, 2008. P. 1137. https://doi.org/10.1007/978-1-84800-936-3
  13. Rosli R.E., Sulong A.B., Daud W.R.W. et al. // Int. J. Hydrogen Energ. 2017. V. 42. P. 9293. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.211
  14. Ren X., Wang Y., Liu A. et al. // J. Mater. Chem. A. 2020. V. 8. P. 24284. https://doi.org/10.1039/d0ta08312g
  15. Pasupathi S., Gomez J.C.C., Su H. et al. Recent Advances in High-Temperature PEM Fuel Cells / Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 86. https://doi.org/10.1016/C2015-0-06917-9
  16. Delikaya O., Bevilacqua N., Eifert L. et al. // Electrochim. Acta. 2020. V. 345. P. 136192. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136192
  17. Borup R., Meyers J., Pivovar B. et al. // Chem. Rev. 2007. V. 107. P. 3904. https://doi.org/10.1021/cr050182l
  18. Debe M.K. // Nature. 2012. V. 486. P. 43. https://doi.org/10.1038/nature11115
  19. Steele B.C.H., Heinzel A. // Nature. 2001. V. 414. P. 345. https://doi.org/10.1038/35104620
  20. Arsalis A. // Renew. Sust. Energ. Rev. 2019. V. 105. P. 391. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.02.013
  21. Wang Y., Chen K.S., Mishler J. et al. // Appl. Energ. 2011. V. 88. P. 981. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.09.030
  22. Zamora H., Canizares P., Rodrigo M. A., Lobato J. // Fuel Cells. 2015. V. 15. P. 375. https://doi.org/10.1002/fuce.201400139
  23. Zamora H., Plaza J., Canizares P. et al. // ChemSusChem. 2016. V. 9. P. 1187. https://doi.org/10.1002/cssc.201600050
  24. Jeon Y., Park J.-I., Ok J. et al. // Int. J. Hydrog. Energy. 2016. V. 41. P. 6864. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.03.021
  25. Wang X.X., Tan Z.H., Zeng M. et al. // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 4437. https://doi.org/10.1038/srep04437
  26. Chan S., Jankovic J., Susac D. et al. // J. Mater. Sci. 2018. V. 53. P. 11633. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2411-4
  27. Inagaki M., Yang Y., Kang F. // Adv. Mater. 2012. V. 24. P. 2547. https://doi.org/10.1002/adma.201104940
  28. Tenchurin T.Kh., Krasheninnikov S.N., Orekhov, A.S. et al. // Fibre Chem. 2014. V. 46. P. 151. https://doi.org/10.1007/s10692-014-9580-y
  29. Dong Z., Kennedy S.J., Wu Y. et al. // J. Power Sources. 2011. V. 196. P. 4886-4904. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.01.090
  30. Zhang W., Wang Y., Sun C. // J. Polym. Res. 2007. V. 14. P. 467. https://doi.org/10.1007/s10965-007-9130-x
  31. Dubal S., Chavan S., Jadhav P. // J. Inst. Eng. India Ser. C. 2022. V. 103. P. 1415. https://doi.org/10.1007/s40032-022-00874-0
  32. Yusof N., Ismail A.F. // J. Anal. Appl. Pyrol. 2012. V. 93. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2011.10.001
  33. Zhang L., Aboagye A., Kelkar A. et al. // J. Mater. Sci. 2014. V. 49. P. 463. https://doi.org/10.1007/s10853-013-7705-y
  34. Skupov K.M., Vtyurina E.S., Ponomarev I.I. et al. // Polymer. 2023. V. 264. P. 125546. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.125546
  35. Ponomarev I.I., Razorenov D.Y., Ponomarev I.I. et al. // Eur. Polym. J. 2021. V. 156. P. 110613. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2021.110613
  36. Ponomarev I.I., Skupov K.M., Zhigalina O.M. et al. // Polymers. 2020. V. 12. P. 1340. https://doi.org/10.3390/polym12061340
  37. Zhigalina V.G., Zhigalina O.M., Ponomarev I.I. et al. // CrystEngComm. 2017. V. 19. P. 3792. https://doi.org/10.1039/C7CE00599G
  38. Ponomarev I.I., Skupov K.M., Naumkin A.N. et al. // RSC Adv. 2019. V. 9. P. 257. https://doi.org/10.1039/C8RA07177B
  39. Ponomarev I.I., Zhigalina O.M., Skupov K.M. et al. // RSC Adv. 2019. V. 9. P. 27406. https://doi.org/10.1039/C9RA05910E
  40. Ponomarev I.I., Skupov K.M., Zhigalina O.M. et al. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 891. https://doi.org/10.3390/catal12080891
  41. Пономарев И.И., Пономарев Ив.И., Филатов И.Ю. и др. // Доклады Академии наук. 2013. Т. 448. С. 670. [Ponomarev I.I., Ponomarev Iv.I., Filatov I.Y. et al. // Dokl. Phys. Chem. 2013. V. 448. P. 23. https://doi.org/10.1134/S0012501613020036 ]
  42. Вольфкович Ю.М., Пономарев Ив.И., Сосенкин В.Е. и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2019. Т. 55. С. 100. [Vol’fkovich Y.M., Ponomarev Iv.I., Sosenkin V.E. et al. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2019. V. 55. P. 195. https://doi.org/10.1134/S2070205119010258 ]
  43. Пономарев И.И., Скупов К.М., Разоренов Д.Ю. и др. // Электрохимия. 2016. Т. 52. С. 823. [Ponomarev I.I., Skupov K.M., Razorenov D.Y. et al. // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. P. 735. https://doi.org/10.1134/S1023193516080097 ]
  44. Пономарев И.И., Филатов Ю.Н., Пономарев Ив.И. и др. // Химические волокна. 2017. Т. 49. С. 47. [Ponomarev I.I., Filatov Y.N., Ponomarev Iv.I. et al. // Fibre Chem. 2017. V. 49. P. 183. https://doi.org/10.1007/s10692-017-9866-y ]
  45. Скупов К.М., Пономарев И.И., Разоренов Д.Ю. и др. // Электрохимия. 2017. V. 53. C. 820. [Skupov K.M., Ponomarev I.I., Razorenov D.Y. et al. // Russ. J. Electrochem. 2017. V. 53. P. 728. https://doi.org/10.1134/S1023193517070114 ]
  46. Пономарев И.И., Скупов К.М., Пономарев Ив.И. и др. // Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 727. [Ponomarev I.I., Skupov K.M., Ponomarev Iv.I. et al. // Russ. J. Electrochem. 2019. V. 55. P. 552. https://doi.org/10.1134/S1023193519060156 ]
  47. Скупов К.М., Пономарев И.И., Вольфкович Ю.В. и др. // Высокомолекулярные соединения. Серия С. 2020. V. 62. C. 237. [Skupov K.M., Ponomarev I.I., Vol’fkovich Y.M. et al. // Polym. Sci. Ser. C. 2020. V. 62. P. 231. https://doi.org/10.1134/S1811238220020149 ]
  48. Skupov K.M., Ponomarev I.I., Razorenov D.Y. et al. // Macromol. Symp. 2017. V. 375. P. 1600188. https://doi.org/10.1002/masy.201600188
  49. Скупов К.М., Пономарев И.И., Вольфкович Ю.М. и др. // Известия Академии наук. Серия химическая. 2020. №6. С.1106. [Skupov K.M., Ponomarev I.I., Volfkovich Y.M. et al. // Russ. Chem Bull. 2020. V. 69. P. 1106. https://doi.org/10.1007/s11172-020-2875-7]
  50. Vtyurina E.S., Ponomarev Ig I., Buyanovskaya A.G., et al. // Her. Bauman Mosc. State Tech. Univ. Ser. Nat. Sci. 2023. V. 107. P. 160. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-2-160-172
  51. Choi D., Kil H.-S., Lee S. // Carbon. 2019. V. 142. P. 610. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.10.028
  52. Yoo S.H., Park S., Park Y. et al. // Carbon. 2017. V. 118. P. 106. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.039
  53. Frank E., Hermanutz F., Buchmeiser M.R. // Macromol. Mater. Eng. 2012. V. 297. P. 493. https://doi.org/10.1002/mame.201100406
  54. C.D. Warren. Lightweighting Composites and Lower Cost Carbon Fiber / Oak Ridge: US Department of Energy, Oak Ridge National Laboratory, 2013.
  55. Khan H., Kaur J., Naebe M. et al. // Mater. Today Commun. 2022. V. 31. P. 103231. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103231
  56. Skupov K.M., Ponomarev I.I., Vtyurina E.S. et al. // Membranes. 2023. V. 13. P. 479. https://doi.org/10.3390/membranes13050479
  57. Rouquerol J., Rouquerol F., Sing K.S.W. et al. Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Applications, 2nd ed. / Amsterdam: Academic Press, 2012. https://doi.org/10.1016/C2010-0-66232-8
  58. Linares-Solano A., Stoeckli F. // Carbon. 2005. V. 43. P. 658. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.10.007
  59. Пономарев Ив.И., Пономарев И.И., Петровский П.В. и др. // Доклады Академии наук. 2010. Т. 432. С. 632. [Ponomarev Iv.I., Ponomarev I.I., Petrovskii P.V. et al. // Dokl. Chem. 2010. V. 432. P. 168. https://doi.org/10.1134/S0012500810060042 ]
  60. Schmidt T.J., Baurmeister J. // J. Power Sources. 2008. V. 176. P. 428. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.08.055
  61. Kondratenko M.S., Ponomarev I.I., Gallyamov M.O. et al. // Beilstein J. Nanotechnol. 2013. V. 4. P. 481. .10.3762/bjnano.4.57
  62. Ponomarev I.I., Skupov K.M., Modestov A.D. et al. // Membranes. 2022. V. 12. P. 956. https://doi.org/10.3390/membranes12100956
  63. Lysova A.A., Ponomarev I.I., Skupov K.M. et al. // Membranes. 2022. V. 12. P. 1078. https://doi.org/10.3390/membranes12111078

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Графики БЭТ (а) и NL-DFT (б) для образцов ПАН-MA/УМ-250–1000, (квадраты) (1); ПАН-MA/УМ-250/Zn-1000, (ромбы) (2); ПАН-MA/УМ-350–1000 (треугольники) (3); ПАН-MA/УМ/Zr-350/Zn-1000 (круги) (4).

Скачать (139KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Графики ДР (а) и NL-DFT (б) для образцов ПАН-MA/УМ-250–1000 (1), (оранжевый, квадраты); ПАН-MA/УМ-250/Zn-1000 (2), (ромбы); ПАН-MA/УМ-350–1000 (3) (треугольники); ПАН-MA/УМ/Zr-350/Zn-1000 (4), (круги).

Скачать (129KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ПЭМ-изображение УНВ образца 4: “сетка” УНВ неплатинированного образца.

Скачать (179KB)
Метаданные
5. Рис. 4. ПЭМ-изображение УНВ образца 4: фрагменты аморфных волокон.

Скачать (196KB)
Метаданные
6. Рис. 5. HAADF-изображение фрагмента волокна образца 4 с картами распределения циркония, кислорода, а также ЭДС-спектром, полученным от этого участка.

Скачать (198KB)
Метаданные
7. Рис. 6. РЭМ-изображение РЭМ УНВ образца ПАН-МА/УМ/Zr-350/Zn-1000 (4) после платинирования.

Скачать (198KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ВРЭМ-изображение платиновых частиц на поверхности волокна и Фурье-дифрактограмма (сверху) от игольчатых кристаллов; HAADF-изображение волокна, карты распределения углерода и платины в нем, ЭДС-спектр, полученный от данного участка (снизу) для образца 4 после платинирования.

Скачать (259KB)
Метаданные
9. Рис. 8. РЭМ-изображение УНВ образца ПАН-МА/УМ/Zr-350/Zn-1000 (4) до платинирования.

Скачать (179KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Поляризационные (а) и мощностные (б) кривые и данные плотности мощности для МЭБ ВТ-ПОМТЭ с анодами на основе УНВ при 180°C для Pt/УНВ (1) и Pt/УНВ/PBI-O-PhT-P (2).

Скачать (104KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024