Автореферат (Синтез и физико-химические характеристики электродных катализаторов платины и палладия на основе пористого кремния)

На правах рукописиЗЕНЧЕНКО ВИТАЛИЙ ОЛЕГОВИЧСИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИЭЛЕКТРОДНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ПЛАТИНЫ И ПАЛЛАДИЯ НАОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ02.00.04 – Физическая химияАвторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидатахимических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре физической химии в Федеральномгосударственном бюджетном общеобразовательном учреждении высшегообразования «Московский технологический университет»Научный руководитель:доктор химических наук, профессор,Яштулов Николай АндреевичОфициальные оппоненты: Спицын Борис Владимирович,доктор химических наук, заведующийлабораториейФГБУН Институт физической химии иэлектрохимии им.

А.Н. Фрумкина РАНКузнецов Денис Валерьевичкандидат технических наук, заведующийкафедрой функциональных наносистем ивысокотемпературных материаловФГАОУ ВО «Национальный исследовательскийтехнологический университет «МИСиС»Ведущая организация:ФГАОУ ВО «Национальный исследовательскийуниверситет «Московский институтэлектронной техники»Защита диссертации состоится 29 ноября 2017 года в 16:00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.131.10 при «Московском технологическомуниверситете» по адресу: 119571, г. Москва, пр.

Вернадского, 86(аудитория М-119)С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскоготехнологического университета по адресу: 119454, Москва, пр. Вернадского,д. 78 и на сайтеhttps://www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertation-councild-212-131-10/Автореферат диссертации разослан « » __________ 2017 г.Учёный секретарьдиссертационного советаА.Ю. Путин2Актуальность работы: В настоящее время создание каталитическиактивныхистабильныхнанокомпозитныхматериалов,обладающихповышенными функциональными свойствами, является принципиальнойнаучной и прикладной задачей современной науки. Несомненный интересвызывает пористый кремний (ПК), на основе которого разрабатываютсякаталитические композиты с высокоразвитой активной поверхностью.Современные физико-химические методы и подходы к синтезу позволяютнаправленноформироватькатализаторывпористойматрицесконтролируемыми размерами и формой для конструирования микромощныхисточников энергии.

В связи с этим совершенствование условий синтезакаталитически активных электродных материалов на основе платиновыхметаллов,подбороптимальногоносителя,разработкаспособовформирования и стабилизации полиметаллических нанокомпозитов нафункциональных матрицах-подложках представляет собой актуальнуюнаучную задачу.Цели работы данной работы заключаются в разработке процессовконтролируемого формирования нанокомпозитных материалов на основепористого кремния с наночастицами платины и палладия и в оценкеэлектрокаталитическойэлектродоввактивностиреакцияхиокислениястабильностисинтезированныхводородсодержащихтоплививосстановления кислорода.Задачи работы.Для достижения поставленной цели исследования необходимо былорешить следующие задачи:1.Формированиенанокомпозитныхматериаловнапористомкремнии с наночастицами платины и палладия с помощью химическоговосстановления ионов металлов в растворах обращенных микроэмульсий.2.Исследованиевлиянияусловийсинтезакатализаторовнаразмеры, форму и распределение наночастиц на пористом кремнии.33.Оценка электрокаталитических характеристик нанокомпозитов вреакциях окисления водорода, муравьиной кислоты и восстановлениякислорода.4.Установлениенанокомпозитоввзаимосвязиплатиныиособенностейпалладиясформированияэлектрохимическимихарактеристиками электродных материалов на основе пористого кремния.Научнаяновизна.Вработевпервыеполученыобразцынанокомпозитов пористого кремния с наночастицами платина/палладий примольных соотношениях металлов от 5:1 до 1:8, которые синтезированы вводно-органических растворах обращенных микроэмульсий со степеньюсолюбилизации ω от 1.5 до 8.Исследована зависимость между характеристиками нанокомпозитов ифизико-химическими свойствами материала на их основе и установлено, чтонаночастицыплатиныипалладиясминимальнымиразмерамииравномерным распределением образуются как на поверхности, так и вобъеме кремниевой матрицы при ультразвуковом воздействии в присутствиинеионогенного ПАВ – Тритон Х-100.Впервые показано, что каталитическая активность синтезированныхэлектродных материалов на основе пористого кремния с наночастицамиплатины и палладия возрастает с уменьшением размера наночастиц вреакциях восстановления кислорода, окисления водорода и муравьинойкислоты.

Выявлено оптимальное соотношение платины и палладия смаксимальной каталитической активностью и стабильностью в реакцииокисления муравьиной кислоты.Практическаяформированиязначимость.каталитическиПредложенактивныхиапробированэлектродныхметодматериаловнапористом кремнии с пониженным содержанием платины и палладия длямикромощных источников энергии. По результатам физико-химическихисследований наноматерилов установлено влияние метода синтеза, состава,природыметаллов-прекурсоровнаразмерынаночастиц,ихформу,4распределение по поверхности носителя и каталитическую активностьнанокомпозитов.Определеноптимальныйсоставэлектродныхнанокомпозитных материалов для достижения повышенной каталитическойактивности и стабильности в реакциях восстановления кислорода иокисления водородсодержащих топлив.Положения, выносимые на защиту:- оптимальные условия синтеза электродных материалов на пористомкремнии с наночастицами платины и палладия методом химическоговосстановления в растворах обращенных микроэмульсий с использованиемнеионогенного ПАВ – Тритон Х-100;- данные по исследованию влияния неионогенного и анионного ПАВ,соотношенияобработки,металлов,типастепенипроводимостисолюбилизациикремниянаω,ультразвуковойфизико-химическиехарактеристики наночастиц в составе нанокомпозитов;- результаты оценки каталитической активности и стабильностиэлектродных материалов в реакциях окисления водорода, муравьинойкислоты и в реакции восстановления кислорода.Достоверностькомплексарезультатовсовременныхработыфизико-химическихобеспеченаприменениемметодовисследования,выполненных на сертифицированном оборудовании, обеспечивающеговоспроизводимость и необходимую точность экспериментальных данных.Теоретические и экспериментальные подходы согласуются с даннымипубликаций последних лет в зарубежных и отечественных изданиях.Основное содержание и результаты работы отражены в рецензируемыхнаучных журналах и представлены на международных и всероссийскихконференциях.Личный вклад автора.

Непосредственно автором осуществлен синтезнаночастиц платины и палладия в растворах обращенных микроэмульсий идальнейшее формирование нанокомпозитных электродных материалов. Вфизико-химических исследованиях, выполненных в соавторстве, вклад5авторазаключаетсявнепосредственномучастиинавсехэтапахэкспериментальной работы. Лично автором проведена обработка, анализ иоформлениеполученныхрезультатов,сформулированыосновныеположения, выносимые на защиту, выводы из работы.Работа выполнена при поддержке грантов Госзадания РФ (проект №13.3140.2017/ПЧ), РФФИ (№ 13-08-12407-офи_м2, № 15-03-05037-а, № 1638-00871-мол_а).Апробация работы. Результаты работы и основные положениядиссертации были доложены на V молодежной научно-техническойконференции «Наукоемкие химические технологии-2013» (Москва, 2013);XV International scientific conference «High-tech in chemical engineering –2014» (Звенигород, 2014); Russian-Swiss scientific seminar «Nanotechnologiesand nanomaterials in the contemporary world», (Москва, 2014); IX Internationalconference of young scientists on chemistry «MENDELEEV-2015» (С.Петербург, 2015); XIX International conference on chemical thermodynamics inRussia (Нижний Новогород, 2015); VI Международной научно-практическойконференции: «Итоги научно-исследовательской деятельности: изобретения,методики, инновации» (Москва, 2015); VI Всероссийской молодежнойнаучно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии2015» (Москва, 2015); I Всероссийской молодёжной школе-конференции«Успехисинтезаикомплексообразования»(Москва,2016);VIВсероссийской конференции с международным участием «Актуальныевопросы химической технологии и защиты окружающей среды» (Чебоксары,2016); III Международной конференции с элементами научной школы«Актуальные проблемы энергосбережения и эффективности в техническихсистемах»(Тамбов,2016);Всероссийскойнаучнойконференции«Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2016); XVI InternationalScientific Conference «High-Tech in Chemical Engineering – 2016» (Москва,2016); IV Международной научно-технической конференции студентов,6молодых ученых и специалистов «Энергосбережение и эффективность втехнических системах» (Тамбов, 2017).Публикации.

Результаты работы отражены в 21 работе, в том числе в 8статьях в научных рецензируемых журналах (из них 5 опубликовано вжурналах из списка, рекомендованного ВАК Минобразования РФ), и 13тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит извведения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждениярезультатов, выводов, списка литературы, сокращений и иллюстративногоматериала. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста,включая 52 рисунка, 16 таблиц, списка литературы из 148 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении изложена актуальность темы диссертационной работы,сформулированыцель,задачи,отраженыосновныерезультатыэкспериментальных исследований.В главе I подробно изложена информация о получении, свойствах иприменении пористого кремния и композитов на его основе, и описаныфизико-химические принципы функционирования топливных элементов ствердополимерным электролитом на водородном топливе и муравьинойкислоте.В главе II представлены экспериментальные данные по синтезунаночастиц в растворах обращенных микроэмульсий, созданию электродныхматериалов с платиной и палладием на пористом кремнии.

Приведеноописаниеприборов,материаловиреактивов,использованныхпривыполнении диссертации. В работе использован комплекс современныхфизико-химическихмикроскопияметодов(АСМ),анализарастроваянаноматериалов:электроннаяатомно-силоваямикроскопия(РЭМ),высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия (ВРПЭМ),фотонно-корреляционная спектроскопия (ФКС), рентгено-фотоэлектронная7спектроскопия (РФЭС), рентгенофазовый анализ (РФА), циклическаявольтамперометрия (ЦВА), хронопотенциометрия.В главе III отражены основные экспериментальные результатыработы.Образцы пористого кремния, который был выбран в качествефункциональной матрицы носителя, были получены анодным травлениеммонокристаллических пластин кремния в водно-спиртовых растворахплавиковой кислоты. Химическим восстановлением ионов металлов в водноорганическихрастворахобращенныхмикроэмульсийсинтезированынаночастицы платины и палладия. Разработана методика синтеза наночастицплатиновых металлов химическим восстановлением с использованиемнеионогенного ПАВ – октилфенилового эфира полиэтиленоксида (Тритон Х100) и анионного ПАВ – бис-2-этилгексил сульфосукцината натрия (АОТ).Методом атомно-силовой микроскопии определены размеры, форма ираспределение наночастиц.