Наноразмерный катализатор электровосстановления кислорода воздуха


 

C25B11/06 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2404853:

Ассоциация делового сотрудничества в области передовых комплексных технологий "АСПЕКТ" (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В.Ломоносова" (МИТХТ им.М.В.Ломоносова) (RU)

Изобретение относится к катализаторам электровосстановления кислорода воздуха. Описан наноразмерный катализатор электровосстановления кислорода воздуха, содержащий оксиды марганца в форме наночастиц с размером до 14,9 нм на пористом углеродном носителе, представляющем собой сажу Ketjen Black с удельной поверхностью 600-1500 м2/г. Технический эффект: полученный катализатор обладает высокой каталитической активностью и стабильностью в процессах электровосстановления кислорода воздуха. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к новому наноразмерному бесплатиновому катализатору электровосстановления кислорода воздуха, который может быть использован в портативном автономном зарядном устройстве (АЗУ) на основе щелочных топливных элементов с градиентно-пористыми матричными структурами.

Разработка катодных неплатиновых катализаторов является одним из важных аспектов при электровосстановлении кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах. Одним из основных критериев для выбора катодных материалов является толерантность к борогидриду. При использовании боргидридного топлива в щелочном электролите на аноде происходит окисление борогидрида:

(1) ВН4-+8OН-→BO2-+6Н2О+8е,

E10=1.24B.

На катоде протекает электровосстановление кислорода

(2) 2O2+4Н2О+8е→80Н-, Е20=0.40В.

Суммарная реакция в элементе имеет вид:

(3) ВН4-+2O2→BO2-+2H2O,

Е03=1.64 В,

где E10 и Е20 - стандартные потенциалы реакций (1) и (2), Е30 - потенциал разомкнутой цепи элемента (ЭДС).

В РФ №2007105007 описаны катализаторы для анода и катода топливных элементов, имеющих низкое содержание платины, полученные обработкой комплексов металлов, образованных только солями платины или солями платины в комбинации с другими металлами и полимерами.

А.Ю.Цивадзе и др. в статье «Новые электрокатализаторы для топливного элемента (ТЭ) с прямым окислением боргидридов (Доклады Академии Наук, 2007, том 414, №2, с.211-214) описаны катализаторы, такие как PdCo, PtCo, PdFe, CoN4, с низкой активностью по отношению к анодному окислению борогидрида и, вероятно, толерантные к нему. Наличие высокой активности при электровосстановлении кислорода позволит использовать их в качестве катодных электрокатализаторов. Было исследовано влияние концентрации NaBH4 на стационарные потенциалы указанных выше катализаторов в 6М NaOH. При этом было показано, что стандартный катализатор Pt ETEK реагирует на присутствие борогидрида уже при концентрации 10-4 М.

Указанные в этой статье катализаторы являются наиболее близкими по составу и назначению к предлагаемому катализатору и катоду.

Задачей настоящего изобретения является изыскание бесплатиновых наноразмерных катализаторов электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах с высокой стабильностью каталитической активности.

Согласно изобретению предлагается наноразмерный бесплатиновый катализатор электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах, содержащий оксид металла на пористом углеродном носителе.

Отличием предлагаемого катализатора от известного является использование в качестве оксида металла оксида марганца в форме наночастиц.

Можно использовать в качестве носителя носители, выбранные из пористых углеродных носителей (Vulkan XC-72, active carbon RBDA, standard R-5000, NSM-III, Ketjen black and Raven-1020, graphite и др.).

Преимущественно катализатор содержит в качестве углеродного носителя сажу Ketjen Black с удельной поверхностью 600-1500 м2/г.

Катализатор готовят следующим образом. Приготовление катодного наноэлектрокатализатора на основе наночастиц оксида марганца тетрагональной объемоцетрированной ячейки - 6.7% M3O4 на саже Ketjen black

186,6 мг сажи Ketjen black добавляют к водному раствору 61,2 мг Mn(NO3)2·4H2O (м.в. 251.04) (содержит 13.4 мг Mn) в 7 мл воды, воду удаляют при температуре 100°С, а затем нагревают в муфельной печи в воздушной атмосфере по программе со скоростью 2°С/мин до температуры 340°С и далее прогревают 2 часа при этой температуре. Затем образец охлаждают в муфельной печи в течение 8 часов.

Была исследована активность нанесенных наноразмерных катализаторов на основе оксидов марганца и других металлов, повышающих толерантность по отношению к боргидриду.

Результаты исследований представлены в таблице. Из таблицы видно, что наибольшую каталитическую активность в реакции электровосстановления кислорода воздуха проявил образец №31, который представлял собой наночастицы оксидов марганца на саже Ketjen Black с размером частиц в диапазоне до 14.9 нм. Плотность тока при поляризации 200 мВ составила 98.9 мА см-2.

Таблица
Каталитическая активность катализаторов в реакции электровосстановления кислорода воздуха в режиме газодиффузионных электродов при различных поляризациях в 6 М КОН
№ образ-
цов
Катализатор на носителе Ketjen Black Основа для нанесения катализатора Плотность тока при поляризации 100 мВ, мА см-2 Плотность тока при поляризации 150 мВ, мА см-2 Плотность тока при поляризации 200 мВ, мА см-2
25 АП-2041 + 1% Co3O4 кп 18 45.8 79.5
26 Уголь NORIT кп 6.8 19 35.8
27 Уголь NORIT + 1% Co3O4 кп 8.4 17.1 27.9
28 1% Co3O4 на саже Ketjen Black кп 30 63.2 95.8
29 АП-2041 1% Co3O4 на саже Ketjen Black из мет. орг. соед. Со кп 13.6 36.8 66.3
30 Уголь NORIT + 1% Co3O4 кп 10.5 20.5 32
31 6.7% Mn3O4 на саже Ketjen Black кп 1имп 29 58 90.5
2имп 33.2 63 98.9
32 6.7% Mn3O4 на саже Ketjen Black кп 28 50 78
ФП- фторопласт

Исследованные катализаторы №25-32 содержали 20% ФП и наносились на КП (углеродная бумага), содержащую 30% ФП. Для удаления ПАВ из эмульсии фторопласта образцы отжигались при 350°С 10 минут. Близкие результаты по каталитической активности в электровосстановлении кислорода воздуха были получены на катализаторах 1% CO3O4 (образец 28)на саже Ketjen Black. Плотность тока при поляризации 200 мВ составила 95.8 мА см-2. Дополнительными опытами было установлено, что прямого электроокисления боргидрида на таких материалах не наблюдается. И, таким образом, синтезированные катализаторы имеют повышенную толерантность по отношению к боргидриду. Длительные испытания образца 32 в условиях поддержания постоянного потенциала (при поляризации 200 мВ положительнее бестокового потенциала) показали, что плотность тока электровосстановления кислорода воздуха возрастает от значения 78 мА см-2 до значений, превышающих 90 мА см-2 (см. чертеж). Последнее свидетельствует о высокой стабильности и хорошей каталитической активности катализатора в исследованной реакции.

Наноразмерный катализатор электровосстановления кислорода воздуха, содержащий оксиды марганца в форме наночастиц с размером до 14,9 нм на пористом углеродном носителе, представляющем собой сажу Ketjen Black с удельной поверхностью 600-1500 м2/г.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области катодных катализаторов с низким содержанием платины для спиртовых ТЭ. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к катализаторам на основе переходных металлов, других, чем платина, и их применению в топливных элементах.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к соединению, имеющему высокую электронную проводимость и характеризующемуся тем, что оно относится к типу АВСО(х- )Hal(у- ) со структурой калиевоникелевого флюорита, причем х+у=4, и лежат в интервале между -0,7 и +0,7.
Изобретение относится к области катализаторов для спиртовых топливных элементов (ТЭ) и способам их изготовления. .

Изобретение относится к области электротехники, связанной с разработкой электрохимических генераторов тока, и может быть использовано при изготовлении активного катализатора щелочного топливного элемента с высокой коррозионной устойчивостью, содержащего 96,0-99,75 мас.% золота и 0,25-4,0 мас.% оксида циркония.

Изобретение относится к области электротехники, связанной с эксплуатацией топливных элементов. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к катализаторам топливных элементов. .

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к подготовке поверхности индикаторного электрода для вольтамперометрического анализа природных и сточных вод.

Изобретение относится к устройству для генерирования горючего газа и к устройству данного типа, предназначенному для установки на транспортное средство. .

Изобретение относится к способам и средствам получения водорода и кислорода с дополнительным тепловым насосом. .

Изобретение относится к области электрохимического получения хлора и каустической соды, а именно - к конструкции электролизера с горизонтальным ртутным катодом. .

Изобретение относится к области электрохимического получения хлора и каустической соды, а именно - к конструкции электролизера с горизонтальным ртутным катодом. .

Изобретение относится к технологии изготовления электрода для химических источников тока и может быть использовано в электротехническом производстве и судостроении.

Изобретение относится к наноразмерному катализатору прямого электроокисления боргидридов щелочных металлов. .
Изобретение относится к области композиционных полимерных материалов биомедицинского назначения, содержащих наряду с биосовместимыми полимерами-структурообразователями (2-12 мас.%), наполнители в виде стабилизированного амфифильными сополимерами малеиновой кислоты (0,02-0,6 мас.%) наноразмерного серебра (0,007-0,3 мас.%), а также лечебные вещества (0,01-0,6 мас.%) и воду и может быть использовано для получения способом криоструктурирования наполненных комплексом стабилизированного наноразмерного серебра и лечебными веществами макропористых полимерных гидрогелей и пленок с регулируемыми прочностными и диффузионными (по отношению к серебру) характеристиками.
Наверх