Composites of the ion-exchange membrane MF-4SC with metal nanoparticles and activated carbon Norit 30 in the oxygen electroreduction reaction
Keywords:
oxygen electroreduction, nanocomposites, ion-exchange membrane, electrocatalysis.
Abstract
We have worked out the kinetics of the oxygen reduction reaction on the composite particulate
metal (Ag, Cu) – exchange membrane MF-4SK – activated carbon Norit 30 by the rotating disk electrode
technique. The composite was characterized by scanning electron microscopy and energy dispersive
microanalysis. We have found that the maximum mass fraction of deposited metal is 0.3 % at 13% of the
content of the membrane and ~ 87 % active carbon content and is not affected by the number of subsequent
cycles of saturation – reduction. We have selected activated carbon Norit 30 as carbon filler, which has an
order of magnitude larger surface area and a developed system of micro-and mesopores compared to
common types of carbon blacks (Vulcan XC-72, UM-76, P-267E). It is shown that the exchange currents
which were calculated by true surface area of the metal particles have the same order as the catalysts based
on UM-76 filler. It is shown that the oxygen reduction reaction on the obtained composite take part the
2.5÷2.9 electrons.
Downloads
Download data is not yet available.
References
1.Gattrell. M., MacDougall. B. Reaction mechanisms of the O2 reduction/evolution
reaction. Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology and Applications. Vol. 2.
Electrocatalysis. John Wiley & Sons. 2003.
2.Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат.
1981. 360 с.
3.Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат. 1991. 264 с.
4.Larminie J., Dicks A. Fuel Cells System Explained. -2nd ed. Jonh Wiley & Sons. 2003.
5.Wieckowski A., Savinova E.R., Vayenas C. Catalysis and Electrocatalysis at
Nanoparticle Surfaces. Marcel Dekker. New York. Basel. 2003.
6.PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers. Fundamentals and Applications.
Ed. by Zhang J. Springer. 2008.
7.Murthi V.S., Urian R.C., Mukerjee S. Oxygen reduction kinetics in low and medium
temperature acid environment: correlation of water activation and surface properties in
supported Pt and Pt alloy electrocatalysts // J. Phys. Chem. B. 2004. Vol. 108. № 30.
P. 11011-11023.
8.Liu Y., Ji C., Gu W., Baker D.R., Jorne J., Gasteiger H.A. Proton conduction in PEM
fuel cell cathodes: effects of electrode thickness and ionomer equivalent weight //
J. Electrochem. Soc. 2010. Vol. 157. № 8. P. B1154-B1162.
9.Guo J.W., Zhao T.S., Prabhuram J., Wong C.W. Preparation and the
physical/electrochemical properties of a Pt/C nanocatalyst stabilized by citric acid for
polymer electrolyte fuel cells // Electrochim. Acta. 2005. Vol. 50. P. 1973-1983.
10. Систер В.Г., Фатеев В.Н., Бокач Д.А. Влияние состава и структуры
топливного электрода на рабочие характеристики метанольного топливного
элемента // Электрохимия. 2007. Т. 43. № 9. С. 1153-1156.
11. Загудаева Н.М., Тарасевич М.Р., Малеева Е.А. Электрохимические свойства
катодных бинарных систем на основе платины для водородно-воздушных
топливных элементов с полибензимидазольными мембранами // Альтернативная
энергетика и экология. 2007. Т. 52. № 8. С. 79-83.
12. Михайлова А.А., Тусеева Е.К., Рычагов А.Ю., Вольфкович Ю.М., Крестинин
А.В., Хазова О.А. Композиты углеродных нанотрубок и полианилина и их влияние
на каталитические свойства нанесенных катализаторов // Электрохимия. 2010. Т. 46.
№ 11. С. 1368-1376.
13. Майорова Н.А., Тусеева Е.К., Сосенкин В.Е., Рычагов А.Ю., Вольфкович
Ю.М., Крестинин А.В., Зверева Г.И., Жигалина О.М., Хазова О.А. Влияние
функционализации углеродных нанотрубок на структуру и каталитические свойства
электроосажденных катализаторов // Электрохимия. 2009. Т. 45. № 9. С. 1168-1177.
14. Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. Кинетика и механизм
электровосстановления кислорода в кислых и нейтральных растворах на саже XC-
72R, модифицированной продуктами пиролиза 5,10,15,20-тетракис(4-
метоксифенил)порфирина кобальта // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 8. С. 986-996.
15. Томашов Н.Д. Коррозия металлов с кислородной деполяризацией. М.: Изд-во
АН СССР. 1947. 258 с.
16. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от
коррозии. М.: Физматлит. 2002. 336 с.
17. Nakayama S., Notoya T., Osakai T. A Mechanism for the Atmospheric Corrosion
of Copper Determined by Voltammetry with a Strongly Alkaline Electrolyte //
J. Electrochem. Soc. 2010. Vol. 157. № 9. P. C289-C294.
18. Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O’M. Hydrogen peroxide formation in
oxygen reduction at gold electrodes. II. Alkaline solution // J. Electroanal. Chem. 1967.
Vol. 15. P. 173-180.
19. Halseid R., Heinen M., Jusys Z., Behm R.J. The effect of ammonium ions on
oxygen reduction and hydrogen peroxide formation on polycrystalline Pt electrodes //
J. Power Sources. 2008. Vol. 176. P. 435-443.
20. Strbac S. The effect of pH on oxygen and hydrogen peroxide reduction on
polycrystalline Pt electrode // Electrochim. Acta. 2011. Vol. 56. P. 1597-1604.
21. Кравченко Т.А., Полянский Л.Н., Калиничев А.И., Конев Д.В.
Нанокомпозиты металл-ионообменник. М.: Наука. 2009. 391 с.
22. Norit DLC Supra 30 datasheet. Document № DLCA3. Version 13 july 2007. Norit
Digital Library.
23. Bleda-Martinez M.J., Macia-Agullo J.A., Lozano-Castello D., Morallon E. et al.
Role of surface chemistry on electric double layer capacitance of carbon materials //
Carbon. 2005. Vol. 43. P. 2677-2684.
24. Электропроводный технический углерод УМ-76. ТУ 38 10002-02 с изм. №1, 2.
25. Новикова В.В. Электрохимическое восстановление кислорода на
нанокомпозите серебро/ионообменная мембрана МФ-4СК/углерод: Дис. … канд.
хим. наук. Воронеж: Воронежский государственный университет. 2013. 156 с.
26. Трасатти С., Петрий О.А. Измерения истинной площади поверхности в
электрохимии // Электрохимия. 1993. Т. 29. № 4. С. 557-575.
27. Shiegenthaler H., Juttner K. Voltammetric investigation of lead adsorption on
Cu(111) single crystal substrates // J. Electroanal. Chem. 1984. Vol. 163. P. 327-343.
28. Вашкялис А., Демонтайте О. Определение величины поверхности серебра
путем электрохимического осаждения монослоя свинца // Электрохимия. 1978. Т. 14.
№ 10. С. 1213-1215.
29. Vasilic R., Vasiljevic N., Dimitrov N. Open circuit stability of underpotentially
deposited Pb monolayer on Cu(111) // J. Electroanal. Chem. 2005. Vol. 580. P. 203-212.
30. Тарасевич М.Р. Электрохимия углеродных материалов. М.: Наука. 1984.253 с.
31. Багоцкий В.С., Некрасов Л.Н., Шумилова Н.А. Электрохимическое
восстановление кислорода // Успехи химии. 1965. Т. 34. № 10. С. 1697-1720.
32. Jiang T., Brisard G.M. Determination of the kinetic parameters of oxygen reduction
on copper using a rotating ring single crystal disk assembly (RRDCu(hkl)E) // Electrochim.
Acta. 2007. Vol. 52. P. 4487-4496.
33. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия,
КолосС. 2006. 672 с.
34. Demarconnay L., Coutanceau C., Leger J.-M. Electroreduction of dioxygen (ORR)
in alkaline medium on Ag/C and Pt/C nanostructured catalysts – effect of the presence of
methanol // Electrochim. Acta. 2004. Vol. 49. P. 4513-4521.
35. Coutanceau C., Croissant M.J., Napporn T., Lamy C. Electrocatalytic reduction of
dioxygen at platinum particles dispersed in a polyaniline film // Electrochim. Acta. 2000.
Vol. 46. P. 579-588.
36. Croissant M.J., Napporn T., Leger J.-M., Lamy C. Electrocatalytic oxidation of
hydrogen at platinum-modified polyaniline electrodes // Electrochim. Acta. 1998. Vol. 43.
P. 2447-2457.
37. Трипачев О.В., Тарасевич М.Р. Размерный эффект в электровосстановлении
кислорода на золоте в широком диапазоне pH // Журн. физич. химии. 2013. Т. 87.
№5. С. 835-841.
38. Горшков В.С., Полянский Л.Н., Кравченко Т.А. Электровосстановление
кислорода на нанокомпозитах металл (Ag, Cu) – ионообменник в диффузионном
режиме // Журн. физич. химии. 2014. Т. 88. № 1. С. 95-103.
reaction. Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology and Applications. Vol. 2.
Electrocatalysis. John Wiley & Sons. 2003.
2.Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат.
1981. 360 с.
3.Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат. 1991. 264 с.
4.Larminie J., Dicks A. Fuel Cells System Explained. -2nd ed. Jonh Wiley & Sons. 2003.
5.Wieckowski A., Savinova E.R., Vayenas C. Catalysis and Electrocatalysis at
Nanoparticle Surfaces. Marcel Dekker. New York. Basel. 2003.
6.PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers. Fundamentals and Applications.
Ed. by Zhang J. Springer. 2008.
7.Murthi V.S., Urian R.C., Mukerjee S. Oxygen reduction kinetics in low and medium
temperature acid environment: correlation of water activation and surface properties in
supported Pt and Pt alloy electrocatalysts // J. Phys. Chem. B. 2004. Vol. 108. № 30.
P. 11011-11023.
8.Liu Y., Ji C., Gu W., Baker D.R., Jorne J., Gasteiger H.A. Proton conduction in PEM
fuel cell cathodes: effects of electrode thickness and ionomer equivalent weight //
J. Electrochem. Soc. 2010. Vol. 157. № 8. P. B1154-B1162.
9.Guo J.W., Zhao T.S., Prabhuram J., Wong C.W. Preparation and the
physical/electrochemical properties of a Pt/C nanocatalyst stabilized by citric acid for
polymer electrolyte fuel cells // Electrochim. Acta. 2005. Vol. 50. P. 1973-1983.
10. Систер В.Г., Фатеев В.Н., Бокач Д.А. Влияние состава и структуры
топливного электрода на рабочие характеристики метанольного топливного
элемента // Электрохимия. 2007. Т. 43. № 9. С. 1153-1156.
11. Загудаева Н.М., Тарасевич М.Р., Малеева Е.А. Электрохимические свойства
катодных бинарных систем на основе платины для водородно-воздушных
топливных элементов с полибензимидазольными мембранами // Альтернативная
энергетика и экология. 2007. Т. 52. № 8. С. 79-83.
12. Михайлова А.А., Тусеева Е.К., Рычагов А.Ю., Вольфкович Ю.М., Крестинин
А.В., Хазова О.А. Композиты углеродных нанотрубок и полианилина и их влияние
на каталитические свойства нанесенных катализаторов // Электрохимия. 2010. Т. 46.
№ 11. С. 1368-1376.
13. Майорова Н.А., Тусеева Е.К., Сосенкин В.Е., Рычагов А.Ю., Вольфкович
Ю.М., Крестинин А.В., Зверева Г.И., Жигалина О.М., Хазова О.А. Влияние
функционализации углеродных нанотрубок на структуру и каталитические свойства
электроосажденных катализаторов // Электрохимия. 2009. Т. 45. № 9. С. 1168-1177.
14. Тарасевич М.Р., Мазин П.В., Капустина Н.А. Кинетика и механизм
электровосстановления кислорода в кислых и нейтральных растворах на саже XC-
72R, модифицированной продуктами пиролиза 5,10,15,20-тетракис(4-
метоксифенил)порфирина кобальта // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 8. С. 986-996.
15. Томашов Н.Д. Коррозия металлов с кислородной деполяризацией. М.: Изд-во
АН СССР. 1947. 258 с.
16. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от
коррозии. М.: Физматлит. 2002. 336 с.
17. Nakayama S., Notoya T., Osakai T. A Mechanism for the Atmospheric Corrosion
of Copper Determined by Voltammetry with a Strongly Alkaline Electrolyte //
J. Electrochem. Soc. 2010. Vol. 157. № 9. P. C289-C294.
18. Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O’M. Hydrogen peroxide formation in
oxygen reduction at gold electrodes. II. Alkaline solution // J. Electroanal. Chem. 1967.
Vol. 15. P. 173-180.
19. Halseid R., Heinen M., Jusys Z., Behm R.J. The effect of ammonium ions on
oxygen reduction and hydrogen peroxide formation on polycrystalline Pt electrodes //
J. Power Sources. 2008. Vol. 176. P. 435-443.
20. Strbac S. The effect of pH on oxygen and hydrogen peroxide reduction on
polycrystalline Pt electrode // Electrochim. Acta. 2011. Vol. 56. P. 1597-1604.
21. Кравченко Т.А., Полянский Л.Н., Калиничев А.И., Конев Д.В.
Нанокомпозиты металл-ионообменник. М.: Наука. 2009. 391 с.
22. Norit DLC Supra 30 datasheet. Document № DLCA3. Version 13 july 2007. Norit
Digital Library.
23. Bleda-Martinez M.J., Macia-Agullo J.A., Lozano-Castello D., Morallon E. et al.
Role of surface chemistry on electric double layer capacitance of carbon materials //
Carbon. 2005. Vol. 43. P. 2677-2684.
24. Электропроводный технический углерод УМ-76. ТУ 38 10002-02 с изм. №1, 2.
25. Новикова В.В. Электрохимическое восстановление кислорода на
нанокомпозите серебро/ионообменная мембрана МФ-4СК/углерод: Дис. … канд.
хим. наук. Воронеж: Воронежский государственный университет. 2013. 156 с.
26. Трасатти С., Петрий О.А. Измерения истинной площади поверхности в
электрохимии // Электрохимия. 1993. Т. 29. № 4. С. 557-575.
27. Shiegenthaler H., Juttner K. Voltammetric investigation of lead adsorption on
Cu(111) single crystal substrates // J. Electroanal. Chem. 1984. Vol. 163. P. 327-343.
28. Вашкялис А., Демонтайте О. Определение величины поверхности серебра
путем электрохимического осаждения монослоя свинца // Электрохимия. 1978. Т. 14.
№ 10. С. 1213-1215.
29. Vasilic R., Vasiljevic N., Dimitrov N. Open circuit stability of underpotentially
deposited Pb monolayer on Cu(111) // J. Electroanal. Chem. 2005. Vol. 580. P. 203-212.
30. Тарасевич М.Р. Электрохимия углеродных материалов. М.: Наука. 1984.253 с.
31. Багоцкий В.С., Некрасов Л.Н., Шумилова Н.А. Электрохимическое
восстановление кислорода // Успехи химии. 1965. Т. 34. № 10. С. 1697-1720.
32. Jiang T., Brisard G.M. Determination of the kinetic parameters of oxygen reduction
on copper using a rotating ring single crystal disk assembly (RRDCu(hkl)E) // Electrochim.
Acta. 2007. Vol. 52. P. 4487-4496.
33. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия,
КолосС. 2006. 672 с.
34. Demarconnay L., Coutanceau C., Leger J.-M. Electroreduction of dioxygen (ORR)
in alkaline medium on Ag/C and Pt/C nanostructured catalysts – effect of the presence of
methanol // Electrochim. Acta. 2004. Vol. 49. P. 4513-4521.
35. Coutanceau C., Croissant M.J., Napporn T., Lamy C. Electrocatalytic reduction of
dioxygen at platinum particles dispersed in a polyaniline film // Electrochim. Acta. 2000.
Vol. 46. P. 579-588.
36. Croissant M.J., Napporn T., Leger J.-M., Lamy C. Electrocatalytic oxidation of
hydrogen at platinum-modified polyaniline electrodes // Electrochim. Acta. 1998. Vol. 43.
P. 2447-2457.
37. Трипачев О.В., Тарасевич М.Р. Размерный эффект в электровосстановлении
кислорода на золоте в широком диапазоне pH // Журн. физич. химии. 2013. Т. 87.
№5. С. 835-841.
38. Горшков В.С., Полянский Л.Н., Кравченко Т.А. Электровосстановление
кислорода на нанокомпозитах металл (Ag, Cu) – ионообменник в диффузионном
режиме // Журн. физич. химии. 2014. Т. 88. № 1. С. 95-103.
Published
2019-11-19
How to Cite
Gorshkov, V. S., Zaharov, P. N., Polyanskii, L. N., Chayka, M. Y., Kravchenko, T. A., & Krysanov, V. A. (2019). Composites of the ion-exchange membrane MF-4SC with metal nanoparticles and activated carbon Norit 30 in the oxygen electroreduction reaction. Sorbtsionnye I Khromatograficheskie Protsessy, 14(4). Retrieved from https://journals.vsu.ru/sorpchrom/article/view/1516
Section
Статьи
