Углеродные нановолокнистые газодиффузионные аноды на основе сополимера акрилонитрила с метилакрилатом для среднетемпературного топливного элемента
- Autores: Втюрина Е.С.1, Скупов К.М.1, Пономарев И.И.1, Буяновская А.Г.1, Пономарев И.И.1, Жигалина О.М.2, Черковский Е.Н.2, Хмеленин Д.Н.2
-
Afiliações:
- Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН
- ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
- Edição: Volume 60, Nº 3 (2024)
- Páginas: 276-287
- Seção: НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
- URL: https://kazanmedjournal.ru/0044-1856/article/view/663865
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044185624030079
- EDN: https://elibrary.ru/MDULRK
- ID: 663865
Citar
Resumo
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.
Palavras-chave
Texto integral

Sobre autores
Е. Втюрина
Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Rússia, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1
К. Скупов
Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН
Autor responsável pela correspondência
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Rússia, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1
И. Пономарев
Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Rússia, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1
А. Буяновская
Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Rússia, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1
Ив. Пономарев
Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Rússia, Москва, 119334, ул. Вавилова, д. 28, стр. 1
О. Жигалина
ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН
Rússia, Москва,119333, Ленинский проспект, д. 59Е. Черковский
ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН
Rússia, Москва,119333, Ленинский проспект, д. 59Д. Хмеленин
ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Email: kskupov@ineos.ac.ru
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН
Rússia, Москва,119333, Ленинский проспект, д. 59Bibliografia
- Escorihuela J., Olvera-Mancilla J., Alexandrova L. et al. // Polymers. 2020. V. 12. P. 1861. https://doi.org/10.3390/polym12091861
- Kalathil A., Raghavan A., Kandasubramanian B. // Polym.-Plast. Tech. Mat. 2019. V. 58. P. 465. https://doi.org/10.1080/03602559.2018.1482919
- 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
- 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
- Myles T., Bonville L., Maric R. // Catalysts. 2017. V. 7. P. 16. https://doi.org/10.3390/catal7010016
- 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
- Zeis R. // Beilstein. J. Nanotechnol. 2015. V. 6. P. 68. https://doi.org/10.3762/bjnano.6.8
- 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
- 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
- Quartarone E., Angioni S., Mustarelli P. et al. // Materials. 2017. V. 10. P. 687. https://doi.org/10.3390/ma10070687
- 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.
- Zhang J. PEM Fuel Cell Electrocatalyst and Catalyst Layers / London: Springer, 2008. P. 1137. https://doi.org/10.1007/978-1-84800-936-3
- 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
- Ren X., Wang Y., Liu A. et al. // J. Mater. Chem. A. 2020. V. 8. P. 24284. https://doi.org/10.1039/d0ta08312g
- 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
- Delikaya O., Bevilacqua N., Eifert L. et al. // Electrochim. Acta. 2020. V. 345. P. 136192. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136192
- Borup R., Meyers J., Pivovar B. et al. // Chem. Rev. 2007. V. 107. P. 3904. https://doi.org/10.1021/cr050182l
- Debe M.K. // Nature. 2012. V. 486. P. 43. https://doi.org/10.1038/nature11115
- Steele B.C.H., Heinzel A. // Nature. 2001. V. 414. P. 345. https://doi.org/10.1038/35104620
- Arsalis A. // Renew. Sust. Energ. Rev. 2019. V. 105. P. 391. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.02.013
- 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
- Zamora H., Canizares P., Rodrigo M. A., Lobato J. // Fuel Cells. 2015. V. 15. P. 375. https://doi.org/10.1002/fuce.201400139
- Zamora H., Plaza J., Canizares P. et al. // ChemSusChem. 2016. V. 9. P. 1187. https://doi.org/10.1002/cssc.201600050
- 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
- Wang X.X., Tan Z.H., Zeng M. et al. // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 4437. https://doi.org/10.1038/srep04437
- 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
- Inagaki M., Yang Y., Kang F. // Adv. Mater. 2012. V. 24. P. 2547. https://doi.org/10.1002/adma.201104940
- 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
- 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
- Zhang W., Wang Y., Sun C. // J. Polym. Res. 2007. V. 14. P. 467. https://doi.org/10.1007/s10965-007-9130-x
- 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
- Yusof N., Ismail A.F. // J. Anal. Appl. Pyrol. 2012. V. 93. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2011.10.001
- 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
- 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
- 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
- Ponomarev I.I., Skupov K.M., Zhigalina O.M. et al. // Polymers. 2020. V. 12. P. 1340. https://doi.org/10.3390/polym12061340
- Zhigalina V.G., Zhigalina O.M., Ponomarev I.I. et al. // CrystEngComm. 2017. V. 19. P. 3792. https://doi.org/10.1039/C7CE00599G
- Ponomarev I.I., Skupov K.M., Naumkin A.N. et al. // RSC Adv. 2019. V. 9. P. 257. https://doi.org/10.1039/C8RA07177B
- Ponomarev I.I., Zhigalina O.M., Skupov K.M. et al. // RSC Adv. 2019. V. 9. P. 27406. https://doi.org/10.1039/C9RA05910E
- Ponomarev I.I., Skupov K.M., Zhigalina O.M. et al. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 891. https://doi.org/10.3390/catal12080891
- 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 ]
- 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 ]
- 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 ]
- 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 ]
- 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 ]
- 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 ]
- 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 ]
- 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
- 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]
- 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
- Choi D., Kil H.-S., Lee S. // Carbon. 2019. V. 142. P. 610. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.10.028
- 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
- Frank E., Hermanutz F., Buchmeiser M.R. // Macromol. Mater. Eng. 2012. V. 297. P. 493. https://doi.org/10.1002/mame.201100406
- C.D. Warren. Lightweighting Composites and Lower Cost Carbon Fiber / Oak Ridge: US Department of Energy, Oak Ridge National Laboratory, 2013.
- 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
- Skupov K.M., Ponomarev I.I., Vtyurina E.S. et al. // Membranes. 2023. V. 13. P. 479. https://doi.org/10.3390/membranes13050479
- 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
- Linares-Solano A., Stoeckli F. // Carbon. 2005. V. 43. P. 658. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.10.007
- 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 ]
- Schmidt T.J., Baurmeister J. // J. Power Sources. 2008. V. 176. P. 428. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.08.055
- Kondratenko M.S., Ponomarev I.I., Gallyamov M.O. et al. // Beilstein J. Nanotechnol. 2013. V. 4. P. 481. .10.3762/bjnano.4.57
- Ponomarev I.I., Skupov K.M., Modestov A.D. et al. // Membranes. 2022. V. 12. P. 956. https://doi.org/10.3390/membranes12100956
- Lysova A.A., Ponomarev I.I., Skupov K.M. et al. // Membranes. 2022. V. 12. P. 1078. https://doi.org/10.3390/membranes12111078
Arquivos suplementares
