Химия и химические технологии/8. Кинетика и катализ

К.х.н. Корчагин О.В.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, Москва, Россия

Использование мезопористых материалов для формирования анода прямого спиртового топливного элемента

Эффективность работы катализатора в значительной степени определяется характеристиками материала-носителя. Широко используемые в качестве носителей катализаторов для спиртовых ТЭ печные сажи обладают развитой поверхностью и высокой электропроводностью, однако плотная структура саж с низким содержанием мезопор препятствует доступу реагентов к катализатору и отводу СО₂, образующегося при окислении спирта. Разработка дешевых методов синтеза мезопористых углеродных материалов – углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон (УНВ) – открывает новые пути развития материалов для спиртовых топливных элементов. Настоящая работа посвящена синтезу и исследованию катализатора окисления этанола в щелочной среде на основе металлоксидной системы Ru-V, сформированной на пиролитических углеродных наноматериалах (УНМ).

Катализатор Ru-V/УНM синтезировали путем восстановления солей металлов на различных типах УНМ в атмосфере водорода при температуре 450^oC. В качестве носителей использовали двухслойные нанотрубки (УНТ2), многослойные нанотрубки (УНТ3) и нановолокна (УНВ) со средними величинами удельной поверхности 700, 300 и 90 м²/г, соответственно.

На основании предварительных исследований установлено, что оптимальный состав катализатора отвечает соотношению Ru/V=3/1 при общем содержании активных элементов в системе катализатор+подложка ~ 30 масс. %. Показано, что наиболее высокой активностью в реакции окисления этанола в модельных условиях характеризуется катализатор, сформированный на многослойных нанотрубках. При этом все системы на основе Ru-V превосходят по характеристикам как немодифицированный рутениевый катализатор 30% Ru/УНТ2, так и коммерческий платиновый катализатор (рис. 1). Увеличение активности при переходе от немодифицированного рутениевого катализатора к бинарному связано с механизмом бифункционального катализа, при этом повышенная эффективность образца УНТ3 в качестве подложки по сравнению с другими типами УНМ может быть обусловлена его высокой зольностью (8 % для УНТ3 против 1% для УНТ2 и УНВ). Установлено, что в состав несжигаемого остатка УНМ входят преимущественно оксиды молибдена и никеля, которые способствуют ускорению окисления спиртов на платиновых металлах [1].

Рис.1. Удельная активность различных катализаторов при E=0,43 В (заштрихованные колонки) и E=0,23 В (белые колонки). Потенциалы приведены в шкале обратимого водородного электрода сравнения.

2М KOH + 1M C₂H₅OH, 60^oC, Ar

Результаты модельных экспериментов подтверждены в условиях мембранно-электродного блока прямого этанольно-воздушного ТЭ (рис. 2). Максимальная плотность мощности ТЭ на основе разработанного катализатора (43 мВт/см²) соответствует уровню лучших характеристик, достигаемых при использовании анодных катализаторов на основе платины в щелочных этанольных ТЭ [2]. 

Таким образом, мезопористые УНМ без предварительной очистки от несжигаемого остатка являются эффективными носителями катализаторов окисления спиртов.

Литература:

1. Shen P.K., Xu C. // Electrochem. Commun. 2006. Vol. 8. P. 184.

2. Antolini E., Gonzalez E.R. // J. Power Sources. 2010. Vol. 195. P. 3431.