Изучение влияния микроструктуры Pt/С материалов на электрохимические характеристики полученных на их основе PtCo/С электрокатализаторов

  • Алина Кирилловна Невельская ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация; ФГБУН “Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук” (ЮНЦ РАН), пр. Чехова, 41, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5799-9925
  • Сергей Валерьевич Беленов ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-2980-7089
  • Анна Александровна Гаврилова ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0006-7596-6821
  • Кирилл Олегович Паперж ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-4878-9728
  • Николай Владимирович Лянгузов ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Физический факультет, ул. Зорге, 5, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-9802-9335
  • Илья Владимирович Панков ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Научно-исследовательский институт физической и органической химии, пр. Стачки, 194/2, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5302-4792
  • Андрей Александрович Коханов ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0003-6546-0710
Ключевые слова: платиносодержащие электрокатализаторы, биметаллические наночастицы, высокотемпературный синтез, термическая обработка, реакция электровосстановления кислорода

Аннотация

Цель статьи: В работе проведено исследование влияния равномерности пространственного распределения наночастиц Pt по поверхности носителя в Pt/C материалах на микроструктуру и электрохимическое поведение получаемых на их основе PtCo/C катализаторов.

Экспериментальная часть: Для синтеза PtCo/C катализаторов используется метод пропитки Pt/C с последующей термической обработкой в атмосфере Ar/H2.

Выводы: Применение Pt/C материала с массовой долей платины около 20 % и равномерным распределением наночастиц Pt по поверхности углеродного носителя позволяет получить PtCo/C катализатор, активность которого в реакции восстановления кислорода при 0.90 В составляет 1215 А/г (Pt), что превышает аналогичный показатель для коммерческого Pt/C катализатора в 4.8 раза. При этом использование Pt/C материала с неравномерным распределением наночастиц приводит к получению PtCo/C катализатора с крупным размером частиц и низкой величиной активной площади поверхности, что значительно ухудшает его активность в реакции восстановления кислорода.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Алина Кирилловна Невельская, ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация; ФГБУН “Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук” (ЮНЦ РАН), пр. Чехова, 41, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация

к. х. н., н. с. кафедры электрохимии, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону, Российская Федерация); м. н. с. Федерального исследовательского центра Южный научный центр Российской академии наук” (ЮНЦ РАН) (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Сергей Валерьевич Беленов, ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

к. х. н., в. н. с. кафедры электрохимии, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Анна Александровна Гаврилова, ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

студентка, стажер-исследователь, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Кирилл Олегович Паперж, ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

м. н. с. кафедры электрохимии, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Николай Владимирович Лянгузов, ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Физический факультет, ул. Зорге, 5, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

к. х. н., доцент кафедры «Нанотехнология», Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Илья Владимирович Панков, ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Научно-исследовательский институт физической и органической химии, пр. Стачки, 194/2, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

к. х. н., ведущий инженер центра коллективного пользования «Высокоразрешенная электронная микроскопия»

Андрей Александрович Коханов, ФГАОУ ВО “Южный федеральный университет”, Химический факультет, ул. Зорге, 7, Ростов-на-Дону 344090, Российская Федерация

студент, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Литература

Peng Z, Yang H. Designer platinum nanoparticles: control of shape, composition in alloy, nanostructure and electrocatalytic property. Nano Today. 2009;4: 143–164. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2008.10.010

Xu G., Yang L., Li J., Liu C., Xing W., Zhu J. Strategies for improving stability of Pt-based catalysts for oxygen reduction reaction. Advanced Sensor and Energy Materials. 2023;2: 100058. https://doi.org/10.1016/j.asems.2023.100058

Xiao F., Wang Y., Wu Z., …Shao M. Recent advances in electrocatalysts for proton exchange membrane fuel cells and alkaline membrane fuel cells. Advanced Materials. 2021;33: 2006292. https://doi.org/10.1002/adma.202006292

Wu D., Shen X., Pan Y., Yao L., Peng Z. Platinum alloy catalysts for oxygen reduction reaction: advances, challenges and perspectives. ChemNanoMat. 2020;6: 32–41. https://doi.org/10.1002/cnma.201900319

Wang X. X., Swihart M. T., Wu G. Achievements, challenges and perspectives on cathode catalysts in proton exchange membrane fuel cells for transportation. Nature Catalysis. 2019;2: 578–589. https://doi.org/10.1038/s41929-019-0304-9

Glüsen A., Dionigi F., Paciok P., … Stolten D. Dealloyed PtNi-core–shell nanocatalysts enable significant lowering of Pt electrode content in direct methanol fuel cells. ACS Catalysis. 2019;9: 3764–3772. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04883

Jeyabharathi C., Hodnik N., Baldizzone C., … Mayrhofer K. J. J. Time evolution of the stability and oxygen reduction reaction activity of PtCu/C nanoparticles. Chem- CatChem. 2013;5: 2627–2635. https://doi.org/10.1002/cctc.201300287

Koh S., Strasser P. Electrocatalysis on bimetallic surfaces: modifying catalytic reactivity for oxygen reduction by voltammetric surface dealloying. Journal of the American Chemical Society. 2007;129: 12624–12625. https://doi.org/10.1021/ja0742784

Lopez-Haro M., Dubau L., Guétaz L., … Maillard F. Atomic-scale structure and composition of Pt3Co/C nanocrystallites during real PEMFC operation: a STEM–EELS study. Applied Catalysis B: Environmental. 2014;152–153: 300–308. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.01.034

Gan L., Heggen M., O’Malley R., Theobald B., Strasser P. Understanding and controlling nanoporosity formation for improving the stability of bimetallic fuel cell catalysts. Nano Letters. 2013;13: 1131–1138. https://doi.org/10.1021/nl304488q

Lyu X., Jia Y., Mao X., … Yao X. Gradient-concentration design of stable core-shell nanostructure for acidic oxygen reduction electrocatalysis. Advanced Materials. 2020;32: 2003493. https://doi.org/10.1002/adma.202003493

Gan L., Yu R., Luo J., Cheng Z., Zhu J. Lattice strain distributions in individual dealloyed Pt–Fe catalyst nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2012;3: 934–938. https://doi.org/10.1021/jz300192b

Paperzh K. O., Alekseenko A. A., Safronenko O. A., Volochaev V. A., Pankov I. V., Guterman V. E. Stability and activity of platinum nanoparticles in the oxygen electroreduction reaction: is size or ordering of primary importance? 2021: 593–606. https://doi.org/10.3762/bxiv.2021.27.v1

Paperzh K. O., Pavlets A. S., Alekseenko A. A., Pankov I. V., Guterman V. E. The integrated study of the morphology and the electrochemical behavior of Pt-based ORR electrocatalysts during the stress testing. International Journal of Hydrogen Energy. 2023;48: 22401–22414. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.01.079

Paperzh K., Moguchikh E., Pankov I., Belenov S., Alekseenko A. Effect of AST atmosphere on Pt/C electrocatalyst degradation. Inorganics (Basel). 2023;11: 237. https://doi.org/10.3390/inorganics11060237

Paperzh K., Alekseenko A., Danilenko M., Pankov I., Guterman V. E. Advanced methods of controlling the morphology, activity, and durability of Pt/C electrocatalysts. ACS Applied Energy Materials. 2022;5: 9530–9541. https://doi.org/10.1021/acsaem.2c01151

Wen Y.-H., Zhang L.-H., Wang J.-B., Huang R. Atomic-scale insights into thermal stability of Pt3Co nanoparticles: a comparison between disordered alloy and ordered intermetallics. Journal of Alloys and Compounds. 2019;776: 629–635. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.10.274

Jung W. S., Popov B. N. Effect of pretreatment on durability of fct-structured Pt-based alloy catalyst for the oxygen reduction reaction under operating conditions in polymer electrolyte membrane fuel cells. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2017;5: 9809–9817. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b01728

Konno N., Mizuno S., Nakaji H., Ishikawa Y. Development of compact and high-performance fuel cell stack. SAE International Journal of Alternative Powertrains. 2015;4: 2015-01–1175. https://doi.org/10.4271/2015-01-1175

Yan W., Sun P., Luo C., …. Du F. PtCo-based nanocatalyst for oxygen reduction reaction: Recent highlights on synthesis strategy and catalytic mechanism. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2023;53: 101–123. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2022.03.024

Tong L., Fan L., Liang H.-W. Platinum intermetallic nanoparticle cathode catalysts for proton-exchange-membrane fuel cells: Synthesis and ordering effect. Current Opinion in Electrochemistry. 2023;39: 101281. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2023.101281

Liu X., Liang J., Li Q. Design principle and synthetic approach of intermetallic Pt-M alloy oxygen reduction catalysts for fuel cells. Chinese Journal of Catalysis. 2023;45: 17–26. https://doi.org/10.1016/S1872-067(22)64165-2

Yang B., Yu X., Hou J., Xiang Z. Secondary reduction strategy synthesis of Pt–Co nanoparticle catalysts towards boosting the activity of proton exchange membrane fuel cells. Particuology. 2023;79: 18–26. https://doi.org/10.1016/j.partic.2022.11.010

Wan K., Wang J., Zhang J., …. Zhang C. Ligand carbonization in-situ derived ultrathin carbon shells enable high-temperature confinement synthesis of PtCo alloy catalysts for high-efficiency fuel cells. Chemical Engineering Journal. 2024;482: 149060. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149060

Lima F. H. B., de Castro J. F. R., Santos L. G. R. A., Ticianelli E. A. Electrocatalysis of oxygen reduction on carbon-supported Pt–Co nanoparticles with low Pt content. Journal of Power Sources. 2009;190: 293–300. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.12.128

Mai Y., XIE X, Wang Z., Yan C., Liu G. Effect of heat treatment temperature on the Pt3Co binary metal catalysts for oxygen reduced reaction and DFT calculations. Journal of Fuel Chemistry and Technology. 2022;50: 114–121. https://doi.org/10.1016/S1872-5813(21)60099-3

Koh S., Hahn N., Yu C., Strasser P. Effects of composition and annealing conditions on catalytic activities of dealloyed Pt–Cu nanoparticle electrocatalysts for PEMFC. Journal of The Electrochemical Society. 2008;155: B1281. https://doi.org/10.1149/1.2988741

Belenov S., Mauer D., Moguchikh E…Alekseenko A. New approach to synthesizing cathode PtCo/C catalysts for low-temperature fuel cells. Nanomaterials. 2024;14: 856. https://doi.org/10.3390/nano14100856

Belenov S., Nevelskaya A., Nikulin A., Tolstunov M. The effect of pretreatment on a PtCu/C catalyst’s structure and functional characteristics. International Journal of Molecula. 2023;24: 2177. https://doi.org/10.3390/ijms24032177

Опубликован
2025-12-25
Как цитировать
Невельская, А. К., Беленов, С. В., Гаврилова, А. А., Паперж, К. О., Лянгузов, Н. В., Панков, И. В., & Коханов, А. А. (2025). Изучение влияния микроструктуры Pt/С материалов на электрохимические характеристики полученных на их основе PtCo/С электрокатализаторов. Конденсированные среды и межфазные границы, 27(4), 651-660. https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/13329
Раздел
Оригинальные статьи