Диссертация (1091936)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования «Московский технологический университет»На правах рукописиЗЕНЧЕНКО ВИТАЛИЙ ОЛЕГОВИЧСИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИЭЛЕКТРОДНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ПЛАТИНЫ И ПАЛЛАДИЯНА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯСпециальность 02.00.04 – Физическая химияДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степени кандидата химических наукНаучный руководитель:доктор химических наук,профессор Яштулов Н.А.Москва – 2017ОглавлениеВведение...............................................................................................................
41. Литературный обзор ....................................................................................... 91.1. Физико-химические основы создания и принцип работы топливныхэлементов ...................................................................................................................... 91.1.1. Общие сведения ............................................................................................
91.1.2. Топливные элементы с твердым полимерным электролитом ............... 121.2. Физико-химические аспекты работы ТЭТПЭ ............................................... 181.2.1. Механизм окисления водорода и водородсодержащих топлив ............ 201.2.2. Механизм восстановления кислорода .........................................................
251.3. Пористый кремний в качестве функциональной матрицы-носителя ......... 291.3.1. Методы получения пористого кремния ...................................................... 321.3.2. Композиты на базе пористого кремния....................................................... 361.4 . Катализаторы для ТЭ ........................................................................................ 381.4.1. Общая характеристика наночастиц платиновых металлов ....................... 381.4.2. Синтез моно- и биметаллических наночастицв растворахобращенных микроэмульсий ....................................................................................... 411.5.
Постановка задачи................................................................................... 492. Экспериментальная часть .................................................................................. 512.1. Материалы и реактивы.................................................................................. 512.2. Приборы и оборудование ............................................................................. 522.3. Физико-химические методы исследования наноматериалов....................... 532.3.1.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ)...................................................... 532.3.2. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) .............................................. 542.3.3. Фотонно-корреляционная спектроскопия (ФКС) ................................... 5522.3.4. Рентгено-фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) ............................... 562.3.5. Рентгенофазовый анализ (РФА) ............................................................... 572.3.6.
Циклическая вольтамперометрия (ЦВА) ................................................. 582.4. Формирование слоев пористого кремния ...................................................... 612.5. Синтез нанокомпозитов на пористом кремнии платиновых металлов врастворах обращенных микроэмульсий .................................................................. 633. Результаты и обсуждения............................................................................. 663.1. Синтез и исследование наночастиц методами атомно-силовоймикроскопии и фотонно-корреляционной спектроскопии ....................................... 663.2. Исследование морфологии нанокомпозитов методами растровойэлектронной микроскопии и высокоразрешающей просвечивающей электронноймикроскопии ..................................................................................................................
823.3.Исследованиесоставаповерхностинанокомпозитовметодамирентгенофазового анализа и рентгено-фотоэлектронной спектроскопии .............. 893.4.Исследованиекаталитическойактивностинанокомпозитныхматериалов методом циклической вольтамперометрии ........................................... 943.4.1. Реакция окисления водорода и восстановления кислорода ..................... 943.4.2. Реакция окисления муравьиной кислоты .................................................
1074. Основные результаты и выводы ................................................................ 1155. Перечень сокращений и условных обозначений ..................................... 1166. Список литературы ..................................................................................
1173ВведениеРазвитие современных технологических методов и подходов позволяетсоздавать новые структуры, сочетающие в себе свойства разных веществ, которыеспособны проявлять уникальные физико-химические характеристики [1-4].Подобныематериалымогутобладатьповышеннымифункциональнымипараметрами, что особенно важно для решения актуальных проблем современнойнауки [1-9]. К структурам такого типа относятся композитные материалы,состоящиеизпористойматрицы,модифицированнойразличныминаполнителями.
Особый интерес представляют нанокомпозиты, в которых рольнаполнителя выполняют наноразмерные частицы. Это позволяет получатьустойчивые катализаторы, обладающие большей каталитической активностью посравнению с объемными материалами. Стабилизация частиц катализатора в порахподложки позволяет значительно увеличить площадь поверхности катализатора иресурс работы нанокомпозитного материала [8-14].Альтернативная энергетика является одной из областей науки, в которойуникальные физико-химические свойства композитных материалов используютсянаиболее успешно. Особую роль эти структуры играют в создании топливныхэлементов (ТЭ) – электрохимических устройств, преобразующих энергиюхимической реакции при осуществлении двух электродных процессов, вэлектричество.
К таким электродным материалам предъявляется ряд требований:высокиерабочиеиудельныехарактеристикиизначенияконверсииводородосодержащих топлив, минимальные массогабаритные параметры истабильное напряжение разряда [1,5,15,16].Сдерживающим фактором в развитии аппаратов на базе ТЭ являетсявысокая себестоимость электродных материалов, которые включают в себянаночастицы платиновых металлов, стабилизированных на функциональнойматрице-подложке, в качестве которой обычно выступают углеродные материалы.Благодарясовершенствованиюфизико-химических4способовсозданиянаноматериалов удалось значительно увеличить удельные характеристикиэлектродов, используемых при создании источников энергии [1-8,16-24]. Но,несмотря на данный факт, этого оказывается недостаточно для практическогоприменения топливных элементов. Кроме того, возникают сложности приинтеграции ТЭ в микроэлектронику из-за функциональной несовместимостиприроды материалов.
Для решения этих проблем возможно применениеэлектродных материалов с использованием в качестве матрицы-подложки слоевпористогокремния,посколькуэтопозволяетсовмещатьнаодноймонокристаллической пластине как ТЭ, так и чип. Кроме того такие подложкипроявляют высокую коррозийную и механическую устойчивость, а также имеютвысокуюплощадьполиметаллическихповерхностинаночастицпорв[1,9,25-27].катализатореИспользованиепозволяетувеличитькаталитическую активность в электрохимических реакциях, протекающих в ТЭ, икоррозийную стойкость.
Наиболее перспективным является использованиеэлектродных материалов с биметаллическими катализаторами платины ипалладия благодаря их высокой каталитической активности и снижениюотравляющего воздействия моноооксида углерода CO на активность катализатора[5,28-31].Актуальность работы. В настоящее время создание каталитическиактивныхистабильныхнанокомпозитныхматериалов,обладающихповышенными функциональными свойствами, является принципиальной научнойи прикладной задачей современной науки. Несомненный интерес вызываетпористый кремний (ПК), на основе которого разрабатываются каталитическиекомпозиты с высокоразвитой активной поверхностью.
Современные физикохимические методы и подходы к синтезу позволяют направленно формироватькатализаторы в пористой матрице с контролируемыми размерами и формой дляконструированиямикромощныхисточниковэнергии.Всвязисэтимсовершенствование условий синтеза каталитически активных электродныхматериалов на основе платиновых металлов, подбор оптимального носителя,5разработкаспособовформированияистабилизацииполиметаллическихнанокомпозитов на функциональных матрицах-подложках представляет собойактуальную научную задачу.Цели работы заключаются в разработке процессов контролируемогоформирования нанокомпозитных материалов на основе пористого кремния снаночастицами платины и палладия и в оценке электрокаталитическойактивности и стабильности синтезированных электродов в реакциях окисленияводородсодержащих топлив и восстановления кислорода.1.Формирование нанокомпозитных материалов на пористом кремнии снаночастицами платины и палладия с помощью химического восстановленияионов металлов в растворах обращенных микроэмульсий.2.Исследование влияния условий синтеза катализаторов на размеры,форму и распределение наночастиц на пористом кремнии.3.Оценка электрокаталитических характеристик нанокомпозитов вреакциях окисления водорода, муравьиной кислоты и восстановления кислорода.4.Установлениевзаимосвязиособенностейформированиянанокомпозитов платины и палладия с электрохимическими характеристикамиэлектродных материалов на основе пористого кремния.Научная новизнаВ работе впервые получены образцы нанокомпозитов пористого кремния снаночастицами платина/палладий при мольных соотношениях металлов от 5:1 до1:8, которые синтезированы в водно-органических растворах обращенныхмикроэмульсий со степенью солюбилизации ω от 1.5 до 8.Исследована зависимость между характеристиками нанокомпозитов ифизико-химическими свойствами материала на их основе и установлено, чтонаночастицы платины и палладия с минимальными размерами и равномернымраспределением образуются как на поверхности, так и в объеме кремниевой6матрицы при ультразвуковом воздействии в присутствии неионогенного ПАВ –Тритон Х-100.Впервые показано, что каталитическая активность синтезированныхэлектродных материалов на основе пористого кремния с наночастицами платиныи палладия возрастает с уменьшением размера наночастиц в реакцияхвосстановления кислорода, окисления водорода и муравьиной кислоты.
Выявленооптимальное соотношение платины и палладия с максимальной каталитическойактивностью и стабильностью в реакции окисления муравьиной кислоты.Практическая значимостьВ работе предложен и апробирован метод формирования каталитическиактивных электродных материалов на пористом кремнии с пониженнымсодержанием платины и палладия для микромощных источников энергии. Порезультатам физико-химических исследований наноматерилов установленовлияние метода синтеза, состава, природы металлов-прекурсоров на размерынаночастиц, их форму, распределение по поверхности носителя и каталитическуюактивность нанокомпозитов.
Определен оптимальный состав электродныхнанокомпозитных материалов для достижения повышенной каталитическойактивности и стабильности в реакциях восстановления кислорода и окисленияводородсодержащих топлив.7Апробация работыV молодежная научно-технической конференция «Наукоемкие химическиетехнологии-2013» (Москва, 2013); XV International scientific conference «High-techin chemical engineering – 2014» (Звенигород, 2014); Russian-Swiss scientific seminar«Nanotechnologies and nanomaterials in the contemporary world», (Москва, 2014);IX International conference of young scientists on chemistry «MENDELEEV-2015»(С.-Петербург, 2015); XIX International conference on chemical thermodynamics inRussia (Нижний Новогород, 2015); VI Международная научно-практическаяконференция: «Итоги научно-исследовательской деятельности: изобретения,методики, инновации» (Москва, 2015); VI Всероссийская молодежная научнотехническая конференция «Наукоемкие химические технологии-2015» (Москва,2015); I Всероссийская молодёжная школа-конференция «Успехи синтеза икомплексообразования» (Москва, 2016); VI Всероссийская конференция смеждународным участием «Актуальные вопросы химической технологии изащиты окружающей среды» (Чебоксары, 2016); III Международная конференцияс элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения иэффективности в технических системах» (Тамбов, 2016); Всероссийская научнаяконференция«Возобновляемыеисточникиэнергии»(Москва,2016);XVI International Scientific Conference «High-Tech in Chemical Engineering – 2016»(Москва, 2016); IV Международная научно-техническая конференция студентов,молодых ученых и специалистов «Энергосбережение и эффективность втехнических системах» (Тамбов, 2017).Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, литературного обзора,экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка литературы,сокращений и иллюстративного материала.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
