Влияние морфологии и состава триметаллических PtCuAu/C катализаторов на активность и стабильность в реакции окисления метанола

  • Владислав Сергеевич Меньщиков Южный федеральный университет, ул, Большая Садовая, 105/42, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0531-2156
  • Сергей Валерьевич Беленов Южный федеральный университет, ул, Большая Садовая, 105/42, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-2980-7089
  • Алексей Юрьевич Никулин Южный федеральный университет, ул, Большая Садовая, 105/42, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация
Ключевые слова: метанольные топливные элементы, катализ, триметаллические катализаторы, гальванический метод синтеза

Аннотация

       Проведено исследование влияния способа получения триметаллических PtCuAu/C катализаторов на их активность в реакции окисления метанола.
        Методами рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии изучены структурные характеристики синтезированных триметаллических катализаторов. Наночастицы материала, полученного гальваническим методом синтеза, имеют размер в два раза больше (~ 6 нм), чем наночастицы материала, полученного совместным осаждением прекурсоров металлов. По результатам ускоренного стресс-тестирования катализаторов установлено, что материал, полученный гальваническим методом замещения атомов меди на золото, обладает
большей активностью в реакции окисления метанола после стресс-тестирования, чем коммерческий Pt/C аналог.
        Данное исследование показывает перспективность получения и использования  многокомпонентных платиносодержащих наночастиц, нанесенных на углеродный носитель, как эффективных катализаторов для использования в метанольных топливных элементах.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Владислав Сергеевич Меньщиков , Южный федеральный университет, ул, Большая Садовая, 105/42, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация

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

Сергей Валерьевич Беленов, Южный федеральный университет, ул, Большая Садовая, 105/42, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация

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

Алексей Юрьевич Никулин, Южный федеральный университет, ул, Большая Садовая, 105/42, Ростов-на-Дону 344006, Российская Федерация

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

Литература

Alias M. S., Kamarudin S. K., Zainoodin A. M., Masdar M. S. Active direct methanol fuel cell: An overview. International Journal of Hydrogen Energy. 2020;45(38): 19620–19641. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.04.202

Gwak G., Kim D., Lee S. Ju H. Luo Y., Zhao J. Studies of the methanol crossover and cell performance behaviors of high temperature-direct methanol fuel cells (HT-DMFCs). International Journal of Hydrogen Energy. 2018;43(30): 13999–14011. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.029

Hamnett A. Mechanism and electrocatalysis in the direct methanol fuel cell. Catalysis Today. 1997;38(4): 445–457. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(97)00054-0

Wu M., Wu X., Zhang L., Abdelhafiz A., Chang I., Qu C., Jiang Y., Zeng J., Alamgir F. Cu@Pt catalysts prepared by galvanic replacement of polyhedral copper nanoparticles for polymer electrolyte membrane fuel cells. Electrochimica Acta. 2019;306: 167–174. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.03.111

Qian J., Wei W., Huang X., Tao Y., Chen K., Tang X. A study of different polyphosphazene-coated carbon nanotubes as a Pt–Co catalyst support for methanol oxidation fuel cell. Journal of Power Sources. 2012;210: 345–349. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.03.012

Fang B., Liu Z., Bao Y., Feng L. Unstable Ni leaching in MOF-derived PtNi-C catalyst with improved performance for alcohols fuel electrooxidation. Chinese Chemical Letters. 2020;31(9): 2259–2262. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2020.02.045

Mansor M., Timmiati S, Lim K, Wong W, Kamarudin S. K., Kamarudin N. H. N. Recent progress of anode catalysts and their support materials for methanol electrooxidation reaction. International Journal of Hydrogen Energy. 2019;44: 14744-69. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.100

An X.-S., Fan Y.-J., Chen D.-J., Wang Q., Zhou Z.‑Y., Sun S.-G. Enhanced activity of rare earth doped PtRu/C catalysts for methanol electrooxidation. Electrochimica Acta. 2011;56(24): 8912–8918. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.07.106

Sulaiman J, Zhu S, Xing Z, Chang Q, Shao M. Pt-Ni octahedra as electrocatalysts for ethanol electrooxidation reaction. ACS Catalysis. 2017;7: 5134–5141. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.7b01435

Page T, Johnson R, Hormes J, Noding S, Rambabu B. A study of methanol electro-oxidation reactions in carbon membrane electrodes and structural properties of Pt alloy electrocatalysts by EXAFS. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2000;485: 34–41. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(00)00090-5

Baronia R, Goel J, Tiwari S, Singh P. Efficient electro-oxidation of methanol using PtCo nanocatalysts supported reduced graphene oxide matrix as anode for DMFC. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42:10238–10247. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.03.011

Markovic N, Gasteiger H, Ross P, Jiang X, Villegas I., Weaver M.J. Electro-oxidation mechanisms of methanol and formic acid on Pt–Ru alloy surfaces. Electrochimica Acta. 1995;40: 91-8.

https://doi.org/10.1016/0013-4686(94)00241-R

Wang X., Zhang L., Wang F., Yu J., Zhu H. Nickel-introduced structurally ordered PtCuNi/C as high performance electrocatalyst for oxygen reduction reaction. Progress in Natural Science: Materials International. 2020;30(6): 905–911. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2020.10.017

Wang X., Zhang L., Gong H., Zhu Y., Zhao H., Fu Y. Dealloyed PtAuCu electrocatalyst to improve the activity and stability towards both oxygen reduction and methanol oxidation reactions. Electrochimica Acta. 2016;212: 277–285. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.07.028

Sarkar A., Murugan A. V., Manthiram A. Rapid microwave-assisted solvothermal synthesis of methanol tolerant Pt-Pd-Co nanoalloy electrocatalysts. Fuel Cells. 2010;10(3): 375–383. https://doi.org/10.1002/fuce.200900139

Srivastava R., Mani P., Hanh N., Strasser P. Efficient oxygen reduction fuel cell electrocatalysis on voltammetrically dealloyed Pt-Cu-Co nanoparticles. Angewandte Chemie - International Edition. 2007;46(47): 8988–8991. https://doi.org/10.1002/anie.200703331

Khatib F. N., Wilberforce T., Ijaodola O., Ogungbemi E., El-Hassan Z., Durrant A., Thompson J., Olabi A.G., Material degradation of components in polymer electrolyte membrane (PEM) electrolytic cell and mitigation mechanisms: Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019;111: 1–14. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.05.007

Belenov S. V., Men’shchikov V. S., Nikulin A. Y., Novikovskii N. M. PtCu/C materials doped with different amounts of gold as the catalysts of oxygen electroreduction and methanol electrooxidation. Russian Journal of Electrochemistry. 2020;56(8): 660–668. https://doi.org/10.1134/S1023193520080029

Belenov S. V., Menschikov V. S., Nevelskaya A. K., Rezvan D. V. Influence of PtCuAu’s nanoparticle structure on its activity in methanol oxidation reaction. Nanotechnol Russia. 2019;14(11-12): 557– 564. https://doi.org/10.1134/S1995078019060028

Alekseenko A. A., Guterman V. E., Volochaev V. A., Belenov, S. V. Effect of wet synthesis conditions on the microstructure and active surface area of Pt/C catalysts. Russ. J. Inorganic Materials. 2015;51(12): 1258–1263. http://dx.doi.org/10.1134/S0020168515120018

Guterman V. E., Belenov S. V., Pakharev A. Yu., Min M., Tabachkova N. Yu., Mikheykina E. B., Vysochina L. L., Lastovina T. A. Pt-M/C (M = Cu, Ag) electrocatalysts with an inhomogeneous distribution of metals in the nanoparticles. International Journal of Hydrogen Energy. 2016;41(3): 1609–1626. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.11.002

Brugeman S. A., Zekhtor M. Yu., Novikovskiy N. M. Universal Roentgen Spectra (UniveRS). Certificate of state registration of the computer program no. 2010615318 (Russia). 2010.

Langford J. I., Wilson A. J. C. Scherrer after Sixty Years: A Survey and Some New Results in the Determination of Crystallite Size. Journal of Applied Crystallography. 1978;11: 102–103. https://doi.org/10.1107/S0021889878012844

Guterman, V. E., Belenov, S. V., Lastovina, T. A., Fokina, E. P., Prutsakova, N. V., Konstantinova, Y. B. Microstructure and electrochemically active surface area of PtM/C electrocatalysts. Russian Journal of Electrochemistry. 2011;47(8) 997–1004. https://doi.org/10.1134/S1023193511080052

Groger O., Gasteiger H. A., Suchsland J. P. Review—Electromobility: Batteries or Fuel Cells? Journal of The Electrochemical Society. 2015;162(14): 2605–2623. http://dx.doi.org/10.1149/2.0211514jes

Garsany Y., Ge J., St-Pierre J., Rocheleau R., Swider-Lyons K. Analytical procedure for accurate comparison of rotating disk electrode results for the oxygen reduction activity of Pt/C. Journal of The Electrochemical Society. 2014;161(5): 628–640. http://dx.doi.org/10.1149/2.036405jes

Banham D., Ye S. Current status and future development of catalyst materials and catalyst layers for proton exchange membrane fuel cells: An industrial perspective. ACS Energy Letters. 2017;2(3): 629–638. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6b00644

Zhang C., Zhang Y., Xiao H., Zhang J., Li L., Wang L., Bai Q., Liu M., Wang Z, Sui N. Superior catalytic

performance and CO tolerance of PtCu/graphdiyne electrocatalyst toward methanol oxidation reaction. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021;612: 125960. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.125960

Menshikov V. S. , Novomlincky I. N. ,Belenov S. V., Alekseenko A. A., Safronenko O. I., Guterman V. E. ethanol, ethanol, and formic acid oxidation on new platinum-containing catalysts. Catalysts. 2021;11(2): 158–176. https://doi.org/10.3390/catal11020158

Guo J. W., Zhao T. S., Prabhuram J., Chen R., Wong C. W. Preparation and characterization of a PtRu/C canocatalysts for direct methanol fuel cell. Electrochimica Acta. 2005;51(4): 754–763. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.05.056

Shao Y., Yin G., Gao Y. Understanding and approaches for the durability issues of Pt-based catalysts for PEM fuel cell. Journal of Power Sources. 2007;171(2): 558–566. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.07.004

Pryadchenko V. V., Srabionyan V. V., Kurzin A. A., Bulat N. V., Shemet D. B., Avakyan L. A., Belenov S. V., Volochaev V. A., Zizak I., Guterman V. E., Bugaev L. A. Bimetallic Pt Cunan oparticlesin Pt Cu/Celectrocatalysts: structural and electrochemical characterization. Applied Catalysis A: General. 2016;525: 226–236. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2016.08.008

Guterman V. E., Belenov S. V., Alekseenko A. A., Lin R., Tabachkova N. Y., Safronenko O. I. Activity and stability of Pt/C and Pt-Cu/C. Electrocatalysts. 2018;9(5): 550–562. https://doi.org/10.1007/s12678-017-0451-1

Guterman V. E., Belenov S. V., Alekseenko A. A., Volochaev V. A., Tabachkova N. Y. The relationship between activity and stability of deposited platinumcarbon electrocatalysts. Russian Journal of Electrochemistry. 2017;53(5): 531–539. https://doi.org/10.1134/S1023193517050081

Zhu H., Li X., Wang F. Synthesis and characterization of Cu@Pt/C core-shell structured catalysts for proton exchange membrane fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 2011;36(15) 9151–9154. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.04.224

Wang Y., Zhou H., Sun P., Chen T. Exceptional methanol electro-oxidation activity by bimetallic concave and dendritic Pt-Cu nanocrystals catalysts. Journal of Power Sources. 2014;245(1): 663–670. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.07.015

Na H., Choi H., Oh J. W., Jung Y. S., Cho Y. S. Enhanced CO oxidation and cyclic activities in threedimensional platinum/indium tin oxide/carbon black electrocatalysts processed by cathodic arc deposition. ACS Applied Materials and Interfaces. 2019;11(28): 25179–25185. https://doi.org/10.1021/acsami.9b06159

Опубликован
2022-03-15
Как цитировать
Меньщиков , В. С., Беленов, С. В., & Никулин, А. Ю. (2022). Влияние морфологии и состава триметаллических PtCuAu/C катализаторов на активность и стабильность в реакции окисления метанола. Конденсированные среды и межфазные границы, 24(1), 76-87. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9057
Раздел
Оригинальные статьи