[go: up one dir, main page]

RU2456717C1 - Method of forming catalyst layer for solid-polymer fuel cell - Google Patents

Method of forming catalyst layer for solid-polymer fuel cell Download PDF

Info

Publication number
RU2456717C1
RU2456717C1 RU2011115431/07A RU2011115431A RU2456717C1 RU 2456717 C1 RU2456717 C1 RU 2456717C1 RU 2011115431/07 A RU2011115431/07 A RU 2011115431/07A RU 2011115431 A RU2011115431 A RU 2011115431A RU 2456717 C1 RU2456717 C1 RU 2456717C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbon nanotubes
platinum
catalytic
temperature
nafion
Prior art date
Application number
RU2011115431/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Надежда Викторовна Глебова (RU)
Надежда Викторовна Глебова
Андрей Алексеевич Нечитайлов (RU)
Андрей Алексеевич Нечитайлов
Александр Александрович Томасов (RU)
Александр Александрович Томасов
Екатерина Евгеньевна Терукова (RU)
Екатерина Евгеньевна Терукова
Александр Константинович Филиппов (RU)
Александр Константинович Филиппов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН)
Priority to RU2011115431/07A priority Critical patent/RU2456717C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2456717C1 publication Critical patent/RU2456717C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of forming a catalyst layer for a solid-polymer fuel cell involves treatment of multi-wall carbon nanotubes with gaseous plasma in the medium of an inorganic gas or a mixture of inorganic gases at electric discharge frequency 13-40 MHz, electric discharge power 0.01-0.1 W/cm3 and pressure 0.20-1.13 torr for 300-500 s. The multi-wall carbon nanotubes treated with gaseous plasma are treated with concentrated nitric acid at temperature 100-120°C for 5-10 min. The obtained suspension is cooled. Multi-wall carbon nanotubes are filtered therefrom, washed and dried. Further, the dried multi-wall carbon nanotubes are mixed with platinised carbon black containing 20-40 wt % platinum, isopropanol and aqueous nafion solution, taken in a defined ratio. The obtained suspension is treated with ultrasound for 30-60 min and then sputtered onto a perfluorinated sulphopolymer-based proton-conducting membrane which is heated to temperature 70-90°C.
EFFECT: high specific power due to high efficiency of catalysis.
4 cl, 3 dwg, 6 ex

Description

Выход твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ) на рынок массового потребления требует создания эффективных технологий, позволяющих увеличить эффективность их работы и снизить себестоимость конечных изделий. Каталитические слои являются одной из важнейших составляющих ТПТЭ, от качества их работы зависит эффективность топливного элемента (ТЭ) в целом. К важным параметрам работы каталитических слоев относятся максимальная удельная мощность и загрузка платины. Высокая удельная мощность позволяет уменьшить массогабаритные параметры ТПТЭ, снижение же загрузки платины позволяет снизить себестоимость изделия и позволяет развернуть массовое производство. Известно (см. С.А.Гуревич, М.В.Горохов, Н.К.Зеленина, В.М.Кожевин, Е.Е.Терукова, А.А.Томасов. - Оптимизация мембранно-электродных блоков на основе полимерно-электролитных мембран для топливных элементов. - Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып.20), что простое увеличение загрузки платины позволяет повысить удельную мощность мембранно-электродного блока (МЭБ) лишь до определенных пределов, далее вступают в силу диффузионные ограничения слоя и ряд других факторов, ограничивающих рост удельной мощности. Увеличение удельной мощности, снимаемой с каталитического слоя, без увеличения загрузки платины возможно за счет формирования каталитических слоев с увеличенной эффективностью катализа. Каталитические слои с увеличенной эффективностью катализа осуществляют как путем подбора соответствующего состава катализатора, так и путем создания оптимальной структуры каталитического слоя.The entry of solid polymer fuel cells (TPTE) into the mass consumption market requires the creation of effective technologies to increase their efficiency and reduce the cost of final products. Catalytic layers are one of the most important components of TPTE, the efficiency of the fuel cell (FC) as a whole depends on the quality of their work. Important parameters of the operation of the catalytic layers include maximum specific power and platinum loading. High specific power allows to reduce the weight and size parameters of TPTE, while reducing the load of platinum allows to reduce the cost of the product and allows you to deploy mass production. It is known (see S. A. Gurevich, M. V. Gorokhov, N. K. Zelenina, V. M. Kozhevin, E. E. Terukova, A. A. Tomasov. - Optimization of membrane-electrode blocks based on polymer electrolyte membranes for fuel cells. - Letters to ZhTF, 2009, volume 35, issue 20) that a simple increase in the loading of platinum allows increasing the specific power of the membrane-electrode block (OIE) only to certain limits, then the diffusion limitations of the layer and a number of other factors limiting the growth of specific power. An increase in the specific power removed from the catalytic layer without increasing the loading of platinum is possible due to the formation of catalytic layers with increased catalysis efficiency. The catalytic layers with increased catalysis efficiency are carried out both by selecting the appropriate catalyst composition and by creating the optimal structure of the catalytic layer.

Известен способ формирования каталитического слоя топливного элемента (см. патент RU №2414021, МПК H01M 4/88, опубликован 10.03.2011), в соответствии с которым напыляют на поверхность основы катализатора исходной пленки оксид платины или оксид металла платиновой группы. Пленку облучают в вакууме пучком ускоренных частиц из атомов или ионов водорода с энергией, необходимой для селективного удаления атомов кислорода из всей толщины напыленного исходного оксида и образования пленки платины или металла платиновой группы с заданными электрофизическими параметрами. При этом предварительно экспериментально определяют длину проективного пробега ускоренных ионов или атомов водорода в пленке восстановленного металла и дозовую зависимость изменения электросопротивления исходной пленки оксида до заданных значений, свидетельствующих об образовании металла с заданными значениями электрофизических параметров. Исходя из полученных зависимостей назначают флюенс ускоренных частиц, а толщину исходной пленки выбирают не более длины проективного пробега ускоренных частиц в пленке восстановленного металла.A known method of forming a catalytic layer of a fuel cell (see patent RU No. 2414021, IPC H01M 4/88, published 03/10/2011), in accordance with which platinum oxide or platinum group metal oxide is sprayed onto the surface of the catalyst base of the initial film. The film is irradiated in a vacuum with a beam of accelerated particles from hydrogen atoms or ions with the energy necessary for the selective removal of oxygen atoms from the entire thickness of the deposited source oxide and the formation of a platinum film or platinum group metal with specified electrophysical parameters. In this case, the projective path length of accelerated ions or hydrogen atoms in the reduced metal film and the dose dependence of the change in the electrical resistance of the initial oxide film to specified values indicating the formation of a metal with specified values of electrophysical parameters are experimentally determined previously. Based on the obtained dependences, the fluence of accelerated particles is prescribed, and the thickness of the initial film is chosen no more than the projective range of accelerated particles in the reduced metal film.

Известный способ требует применения дорогостоящего оборудования, что усложняет технологию и существенно повышает себестоимость каталитического слоя. Необходимость проведения предварительных измерений длины пробега ускоренных ионов или атомов водорода в пленке восстанавливаемого металла увеличивает время изготовления каталитического слоя.The known method requires the use of expensive equipment, which complicates the technology and significantly increases the cost of the catalytic layer. The need for preliminary measurements of the mean free path of accelerated ions or hydrogen atoms in the film of the reduced metal increases the production time of the catalytic layer.

Известен способ формирования мембранно-электродного блока с пористым катодом (см. патент RU №2015207, МПК C25B 11/20, опубликован 30.06.1994). Способ включает приготовление смеси электрокаталитических частиц со связующим, нанесение указанной смеси на мембрану, сушку и спекание. В смесь дополнительно вводят порошок алюминия. После спекания мембранно-электродный блок подвергают выщелачиванию.A known method of forming a membrane-electrode block with a porous cathode (see patent RU No. 2015207, IPC C25B 11/20, published on 06/30/1994). The method includes preparing a mixture of electrocatalytic particles with a binder, applying the mixture to a membrane, drying and sintering. An aluminum powder is further added to the mixture. After sintering, the membrane-electrode block is leached.

Благодаря такому приему алюминиевая фаза растворяется, оставляя вместо себя поры. В результате пористость слоя увеличивается и диффузионное сопротивление уменьшается. Недостатки этого способа в том, что этот способ направлен только на уменьшение диффузионного сопротивления слоя, он не затрагивает каталитическую активность катализатора и, следовательно, не столь эффективен. Кроме того, известный способ довольно трудоемок и требует тщательной отмывки после выщелачивания алюминия от его ионов.Thanks to this technique, the aluminum phase dissolves, leaving pores in its place. As a result, the porosity of the layer increases and the diffusion resistance decreases. The disadvantages of this method is that this method is aimed only at reducing the diffusion resistance of the layer, it does not affect the catalytic activity of the catalyst and, therefore, is not so effective. In addition, the known method is quite laborious and requires thorough washing after leaching of aluminum from its ions.

Известен способ формирования каталитического слоя топливного элемента (см. патент RU №2358359, МПК H01M 4/88, опубликован 10.06.2009), включающий магнетронное напыление на подложку одновременно платины и углерода, пропитку полученного нанокомпозитного слоя из аморфного углерода и платины силикофосфатным золем и последующую сушку образованного пористого гель-слоя. Напыление углерода на подложку осуществляют магнетронным распылением графитовой мишени. В качестве подложки может быть использован полимер с протонной проводимостью, например пленка полианилина, полученная методом окислительной полимеризации анилина.A known method of forming a catalytic layer of a fuel cell (see patent RU No. 2358359, IPC H01M 4/88, published 10.06.2009), including magnetron sputtering on a substrate simultaneously of platinum and carbon, impregnation of the obtained nanocomposite layer of amorphous carbon and platinum with silicophosphate sol and the subsequent drying the formed porous gel layer. Carbon is deposited on a substrate by magnetron sputtering of a graphite target. As the substrate, a polymer with proton conductivity, for example, a polyaniline film obtained by aniline oxidative polymerization, can be used.

Недостатками известного способа являются возможность формирования лишь относительно тонких слоев, что не позволяет достичь высоких удельных мощностей.The disadvantages of this method are the possibility of forming only relatively thin layers, which does not allow to achieve high specific power.

Известен способ формирования каталитического слоя ТПТЭ (см. заявку РСТ WO №2010051637, МПК H01M 4/88; H01M 4/90, опубликована 14.05.2010), включающий напыление металлов, выбранных из группы: платина, сплав платины с переходными металлами, их смеси, неблагородные металлы. Каталитический слой содержит частицы от 1 нм до 15 нм и кластеры из этих частиц.A known method of forming a catalytic layer of TPTE (see PCT application WO No.2010051637, IPC H01M 4/88; H01M 4/90, published 05/14/2010), including the deposition of metals selected from the group: platinum, an alloy of platinum with transition metals, mixtures thereof base metals. The catalytic layer contains particles from 1 nm to 15 nm and clusters of these particles.

Известный способ подразумевает использование металлов неплатиновой группы, что сопряжено с опасностью их растворения в процессе работы каталитического слоя и блокирования протонпроводящих центров протонпроводящего компонента слоя. При этом за счет уменьшения протонной проводимости будет падать эффективность использования катализатора и удельная мощность.The known method involves the use of non-platinum group metals, which is associated with the danger of their dissolution during operation of the catalytic layer and blocking of the proton-conducting centers of the proton-conducting component of the layer. At the same time, due to a decrease in proton conductivity, the catalyst use efficiency and specific power will decrease.

Известен способ изготовления каталитических слоев с повышенной электропроводностью (см. заявку US №20090130527, МПК H01M 4/88, опубликована 21.05.2009), включающий нанесение на твердый полимерный электролит частиц графита, углеродных нанотрубок и коррозионно-стойких металлов. Способ позволяет увеличить электропроводность каталитических слоев за счет увеличения электронной проводимости.A known method for the manufacture of catalytic layers with high electrical conductivity (see application US No. 20090130527, IPC H01M 4/88, published 05/21/2009), comprising applying particles of graphite, carbon nanotubes and corrosion-resistant metals to a solid polymer electrolyte. The method allows to increase the electrical conductivity of the catalytic layers by increasing the electronic conductivity.

Недостаток известного способа заключается в том, что протонная проводимость, которая в равной мере определяет эффективность работы топливной ячейки, при этом остается неизменной. Кроме того, вклад электропроводности каталитических слоев в общую последовательную проводимость топливной ячейки не столь велик и использованный в патенте прием не может дать большого увеличения эффективности работы топливной ячейки.The disadvantage of this method is that the proton conductivity, which equally determines the efficiency of the fuel cell, remains unchanged. In addition, the contribution of the electrical conductivity of the catalytic layers to the total series conductivity of the fuel cell is not so large and the technique used in the patent cannot give a large increase in the efficiency of the fuel cell.

Известен способ изготовления каталитических слоев мембранно-элетродных блоков (см. С.А.Гуревич, М.В.Горохов, Н.К.Зеленина, В.М.Кожевин, Е.Е.Терукова, А.А.Томасов. Оптимизация мембранно-электродных блоков на основе полимерно-электролитных мембран для топливных элементов. Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып.20), в котором использован прием добавления углеродных нанотрубок (УНТ) в смесь (каталитические чернила), используемую для приготовления каталитических слоев. Роль УНТ в данном случае заключается в создании определенной рыхлой структуры с относительно небольшим диффузионным сопротивлением.A known method of manufacturing the catalytic layers of membrane-electrode blocks (see S. A. Gurevich, M. V. Gorokhov, N. K. Zelenin, V. M. Kozhevin, E. E. Terukova, A. A. Tomasov. Membrane optimization -electrode blocks based on polymer-electrolyte membranes for fuel cells. Letters to ZhTF, 2009, volume 35, issue 20), which uses the method of adding carbon nanotubes (CNTs) to a mixture (catalytic ink) used to prepare catalytic layers. The role of CNTs in this case is to create a certain loose structure with a relatively small diffusion resistance.

Недостаток способа в том, что используются нефункционализированные УНТ, что не позволяет использовать эффект сокатализа и ограничивает увеличение эффективности использования платины.The disadvantage of this method is that non-functionalized CNTs are used, which does not allow using the effect of socialization and limits the increase in the efficiency of platinum use.

Известен способ формирования каталитического слоя твердополимерного топливного элемента (см. патент US №7220693, МПК H01M 4/88, опубликован 22.05.2007), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает подготовку углеродного носителя катализатора, смешивание углеродного носителя катализатора с протонпроводящим материалом, изготовление элемента, содержащего активный слой из смеси углеродного носителя катализатора с протонпроводящим материалом, прямое сульфонирование указанного элемента сульфонирующим агентом, включающим неорганические соли. В способе-прототипе присоединяют кислотные, протонпроводящие сульфогруппы непосредственно к поверхности углеродного материала. При этом за счет близости самих кислотных групп и частичек металлического катализатора увеличивается эффективность использования поверхности катализатора, что не достигается при использовании одного лишь нафиона.A known method of forming a catalytic layer of a solid polymer fuel cell (see US patent No. 7220693, IPC H01M 4/88, published 05/22/2007), coinciding with the claimed solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The prototype method includes preparing a carbon catalyst carrier, mixing the carbon catalyst carrier with a proton-conducting material, manufacturing an element containing an active layer from a mixture of a carbon catalyst carrier with a proton-conducting material, direct sulfonation of the element with a sulfonating agent, including inorganic salts. In the prototype method, acidic, proton-conducting sulfo groups are attached directly to the surface of the carbon material. Moreover, due to the proximity of the acid groups themselves and the particles of the metal catalyst, the efficiency of using the catalyst surface increases, which is not achieved using only Nafion.

Однако способ-прототип лишь улучшает межфазную область контакта между катализатором, протонным проводником, электронным проводником и реагентом.However, the prototype method only improves the interfacial contact area between the catalyst, proton conductor, electronic conductor and reagent.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка способа формирования каталитического слоя твердополимерного топливного элемента, который бы не требовал применения сложной технологии, и при использовании изготовленного таким способом каталитического слоя в мембранно-электродных блоках твердополимерных топливных элементов обеспечение повышенной удельной мощности за счет увеличения эффективности катализа, при незначительном изменении стоимости.The objective of the present invention was to develop a method of forming a catalytic layer of a solid polymer fuel cell, which would not require the use of complex technology, and when using the catalyst layer made in this way in membrane-electrode blocks of solid polymer fuel cells, providing increased specific power by increasing the efficiency of catalysis, with a slight change cost.

Поставленная задача решается тем, что способ формирования каталитического слоя твердополимерного топливного элемента включает обработку многостенных углеродных нанотрубок газовой плазмой в среде неорганического газа или смеси неорганических газов при частоте электрического разряда 13-40 МГц, мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см3 и давлении 0,20-1,13 Торр в течение 300-500 секунд. Затем обрабатывают многостенные углеродные нанотрубки концентрированной азотной кислотой при температуре 100-120°С в течение 5-10 минут, охлаждают полученную первую суспензию до комнатной температуры, отфильтровывают из нее многостенные углеродные нанотрубки, промывают их дистиллированной водой и сушат при комнатной температуре. Смешивают просушенные многостенные углеродные нанотрубки с платинированной углеродной сажей, содержащей 20-40 мас.% платины, изопропанолом и водным раствором нафиона, взятыми в расчете на сухое вещество в соотношении, мас.%:The problem is solved in that the method of forming a catalytic layer of a solid polymer fuel cell includes the processing of multi-walled carbon nanotubes with gas plasma in an inorganic gas medium or a mixture of inorganic gases at an electric discharge frequency of 13-40 MHz, electric discharge power of 0.01-0.1 W / cm 3 and a pressure of 0.20-1.13 Torr for 300-500 seconds. Then, multi-walled carbon nanotubes are treated with concentrated nitric acid at a temperature of 100-120 ° C for 5-10 minutes, the resulting first suspension is cooled to room temperature, multi-walled carbon nanotubes are filtered off from it, washed with distilled water and dried at room temperature. The dried multi-walled carbon nanotubes are mixed with platinized carbon black containing 20-40 wt.% Platinum, isopropanol and an aqueous Nafion solution, calculated on the dry matter in the ratio, wt.%:

многостенные углеродные нанотрубкиmulti-walled carbon nanotubes 0,15-1,80.15-1.8 платинированная углеродная сажаplatinum carbon black 1,5-4,51,5-4,5 нафионnafion 0,44-1,200.44-1.20 изопропанолisopropanol 94-98.94-98.

Обрабатывают полученную вторую суспензию ультразвуком в течение 30-60 минут и затем напыляют вторую суспензию на нагретую до температуры 70-90°С протонпроводящую мембрану на основе перфторированного сульфополимера.The resulting second suspension is treated with ultrasound for 30-60 minutes and then the second suspension is sprayed onto a proton-conducting membrane based on a perfluorinated sulfopolymer heated to a temperature of 70-90 ° C.

В качестве перфторированного сульфополимера предпочтительно использовать нафион.Naphion is preferably used as the perfluorinated sulfopolymer.

Вторую суспензию можно напылять аэрографом через металлическую маску с отверстием, равным заданному размеру каталитического слоя.The second suspension can be sprayed with an airbrush through a metal mask with an opening equal to the specified size of the catalytic layer.

В качестве неорганического газа можно использовать газ, выбранный из группы: азот, аргон, диоксид углерода, кислород и их смеси.As an inorganic gas, you can use a gas selected from the group: nitrogen, argon, carbon dioxide, oxygen and mixtures thereof.

Выбор интервалов содержания компонентов второй суспензии обусловлен тем, что при содержании многостенных углеродных нанотрубок менее 0,15 мас.% становится незаметен эффект от их присутствия, то есть при таком небольшом содержании УНТ не происходит заметного увеличения эффективности использования платины и увеличения удельной мощности, а при содержании более 1,8 мас.% за счет уменьшения концентрации платины в каталитическом слое не происходит заметного увеличения удельной мощности, при содержании платинированной углеродной сажи менее 1,5 мас.% не происходит заметного увеличения удельной мощности, а при содержании более 4,5 мас.% не происходит заметного увеличения эффективности использования платины и увеличения удельной мощности, при содержании нафиона менее 0,44 мас.% сильно уменьшается протонная проводимость каталитического слоя и за счет этого падает удельная мощность и эффективность использования платины, а при содержании более 1,20 мас.% происходит блокирование нафионом значительной части поверхности платины, в результате чего уменьшается удельная мощность и эффективность использования платины, при содержании изопропанола менее 94 мас.% затрудняется напыление равномерного слоя за счет увеличения густоты дисперсии, а при содержании более 98 мас.% увеличивается вероятность растворения мембраны и нарушения целостности и ее газоизоляционных свойств, в результате чего существенно падает напряжение и мощность. Многостенные углеродные нанотрубки выбраны потому, что они имеют способность к функционализации - присоединению функциональных групп в противоположность одностенным углеродным нанотрубкам, которые при попытках функционализации разрушаются. Если в платинированной углеродной саже содержится менее 20 мас.% платины, уменьшается удельная мощность за счет небольшого количества платины, а при содержании более 40 мас.% платины уменьшается эффективность использования платины, то есть для достижения одинаковой удельной мощности требуется большее количество платины. Настоящее техническое решение заключается в формировании каталитического слоя твердополимерного топливного элемента из каталитических чернил, содержащих многостенные углеродные нанотрубки, последовательно подвергнутые плазмохимической обработке с целью открытия торцов и химической функционализации для присоединения кислородсодержащих функциональных групп. Способ обеспечивает одновременное формирование каталитических слоев, улучшенных по структуре, каталитической активности, электронной проводимости и эффективности использования поверхности металлического катализатора - платины. Уменьшение диффузионного сопротивления слоя происходит вследствие разрыхления его многостенными углеродными нанотрубками. Сами многостенные УНТ после плазмохимической обработки и химической функционализации приобретают способность усиливать электрокатализ на платине по отношению к реакции электровосстановления кислорода. Кроме того, кислородсодержащие кислотные функциональные группы (например, карбоксильные) обладают способностью к обмену протонами, чем увеличивают эффективность протонного транспорта при работе каталитического слоя. Способ позволяет также повысить каталитическую активность и эффективность использования платины за счет явления сокатализа на функционализированных многостенных УНТ (ФМСУНТ), в результате формируются каталитические слои с увеличенной удельной мощностью при той же загрузке платины.The choice of intervals for the content of the components of the second suspension is due to the fact that when the content of multi-walled carbon nanotubes is less than 0.15 wt.%, The effect of their presence becomes invisible, that is, with such a small content of CNTs, there is no noticeable increase in the efficiency of use of platinum and an increase in specific power, and when content of more than 1.8 wt.% due to a decrease in the concentration of platinum in the catalytic layer there is no significant increase in specific power, when the content of platinum carbon black is less than 1.5 wt.% there is no noticeable increase in specific power, and with a content of more than 4.5 wt.% there is no noticeable increase in the efficiency of use of platinum and an increase in specific power, when the Nafion content is less than 0.44 wt.%, the proton conductivity of the catalytic layer is strongly as a result, the specific power and efficiency of platinum use decreases, and when the content is more than 1.20 wt.%, Nafion blocks a significant part of the platinum surface, as a result of which the specific power decreases and the effective the use of platinum, when the content of isopropanol is less than 94 wt.%, it is difficult to spray a uniform layer by increasing the density of the dispersion, and if it contains more than 98 wt.%, the likelihood of dissolution of the membrane and violation of the integrity and its gas-insulating properties increases, resulting in a significant drop in voltage and power . Multi-walled carbon nanotubes were chosen because they have the ability to functionalize — to attach functional groups as opposed to single-walled carbon nanotubes, which are destroyed by attempts to functionalize. If platinum carbon black contains less than 20 wt.% Platinum, the specific power decreases due to a small amount of platinum, and when it contains more than 40 wt.% Platinum, the efficiency of platinum is reduced, that is, to achieve the same specific power, more platinum is required. The present technical solution consists in the formation of a catalytic layer of a solid polymer fuel cell from catalytic inks containing multi-walled carbon nanotubes sequentially subjected to plasma-chemical treatment in order to open the ends and chemical functionalization for joining oxygen-containing functional groups. The method provides for the simultaneous formation of catalytic layers, improved in structure, catalytic activity, electronic conductivity and surface utilization of the metal catalyst - platinum. A decrease in the diffusion resistance of the layer occurs due to loosening of it by multi-walled carbon nanotubes. The multi-walled CNTs themselves, after plasma chemical treatment and chemical functionalization, acquire the ability to enhance electrocatalysis on platinum in relation to the oxygen electroreduction reaction. In addition, oxygen-containing acidic functional groups (for example, carboxyl) have the ability to exchange protons, thereby increasing the efficiency of proton transport during the operation of the catalytic layer. The method also allows to increase the catalytic activity and efficiency of platinum use due to the phenomenon of socialization on functionalized multi-walled CNTs (FMSCNTs), resulting in the formation of catalytic layers with increased specific power at the same platinum load.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:The present invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 приведены разрядная и мощностная кривые воздушно-водородного ТЭ с платиносодержащим катализатором типа Е-ТЕК без функционализированных УНТ;figure 1 shows the discharge and power curves of air-hydrogen fuel cells with a platinum-containing catalyst of type E-TEK without functionalized CNTs;

на фиг.2 показаны разрядная и мощностная кривые воздушно-водородного ТЭ с катализатором Е-ТЕК+ФМСУНТ, взятыми в массовом соотношении 1:1;figure 2 shows the discharge and power curves of air-hydrogen TE with the catalyst E-TEK + FMSUNT taken in a mass ratio of 1: 1;

на фиг.3 в таблице даны сводные характеристики работы каталитических слоев, изготовленных с добавлением функционализированных углеродных нанотрубок.figure 3 in the table gives a summary of the performance of the catalytic layers made with the addition of functionalized carbon nanotubes.

Способ формирования каталитического слоя твердополимерного топливного элемента осуществляют следующим образом. Способ состоит из следующих последовательных стадий: плазмохимическая обработка многостенных УНТ, химическая функционализация многостенных УНТ, приготовление каталитических чернил, формирование КС. Плазмохимическая обработка заключается в обработке многостенных УНТ газовой плазмой в среде неорганического газа или смеси неорганических газов при частоте электрического разряда в диапазоне 13-40 МГц при мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см3 и давлении неорганического газа или смеси неорганических газов в диапазоне 0,2-1,13 Торр в течение 300-500 с. В качестве неорганического газа можно использовать газ, выбранный из группы: азот, аргон, диоксид углерода, кислород и их смеси. Химическая функционализация заключается в обработке УНТ в концентрированной азотной кислоте при температуре 100-120°С в течение 5-10 минут с последующей промывкой многостенных УНТ дистиллированной водой и сушкой на воздухе. Каталитические чернила готовят путем смешивания платинированной углеродной сажи, содержащей 20-40 мас.% платины, обработанных в газовой плазме углеродных нанотрубок и водного раствора нафиона и изопропанола, взятых в расчете на сухое вещество в соотношении, мас.%:A method of forming a catalytic layer of a solid polymer fuel cell is as follows. The method consists of the following successive stages: plasma-chemical treatment of multi-walled CNTs, chemical functionalization of multi-walled CNTs, preparation of catalytic ink, the formation of CS. Plasma-chemical processing consists in treating multi-walled CNTs with a gas plasma in an inorganic gas or inorganic gas mixture at an electric discharge frequency in the range of 13-40 MHz with an electric discharge power of 0.01-0.1 W / cm 3 and an inorganic gas pressure or inorganic gas mixture in the range of 0.2-1.13 Torr for 300-500 s. As an inorganic gas, you can use a gas selected from the group: nitrogen, argon, carbon dioxide, oxygen and mixtures thereof. Chemical functionalization consists in treating CNTs in concentrated nitric acid at a temperature of 100-120 ° C for 5-10 minutes, followed by washing multi-walled CNTs with distilled water and air drying. Catalytic ink is prepared by mixing platinum carbon black containing 20-40 wt.% Platinum, processed in a gas plasma of carbon nanotubes and an aqueous solution of Nafion and isopropanol, calculated on the dry matter in the ratio, wt.%:

многостенные углеродные нанотрубкиmulti-walled carbon nanotubes 0,15-1,80.15-1.8 платинированная углеродная сажаplatinum carbon black 1,5-4,51,5-4,5 нафионnafion 0,44-1,200.44-1.20 изопропанолisopropanol 94-98.94-98.

Обрабатывают полученную вторую суспензию ультразвуком в течение 30-60 минут. Каталитические слои формируют напылением второй суспензии на нагретую до температуры 70-90°С протонпроводящую мембрану на основе перфторированного сульфополимера, в качестве которого может быть взят нафион. Напыление можно осуществлять аэрографом через металлическую маску с отверстием, равным заданному размеру каталитического слоя.The resulting second suspension is treated with ultrasound for 30-60 minutes. The catalytic layers are formed by sputtering a second suspension onto a proton-conducting membrane heated to a temperature of 70-90 ° C based on a perfluorinated sulfopolymer, which can be taken as a nafion. Spraying can be carried out by airbrushing through a metal mask with an opening equal to the specified size of the catalytic layer.

Полученный настоящим способом каталитический слой для ТЭ имеет высокую поверхностную электрокаталитическую активность платины за счет высокой дисперсности, степени использования поверхности платины и сокатализа функционализированными углеродными нанотрубками, что позволяет повысить эффективность электрокатализа за счет обеспечения хорошей диффузии реагентов к области раздела фаз: электронпроводящей, протонпроводящей, и активного начала катализатора, а также за счет более высокой каталитической активности материала.The catalytic layer for TE obtained by this method has a high surface electrocatalytic activity of platinum due to its high dispersion, degree of utilization of the platinum surface and cocatalization by functionalized carbon nanotubes, which makes it possible to increase the efficiency of electrocatalysis by ensuring good diffusion of reagents to the phase separation region: electron-conducting, proton-conducting, and active the beginning of the catalyst, as well as due to the higher catalytic activity of the material.

Пример 1. Образец АДК-5Example 1. Sample ADK-5

Многостенные УНТ помещали в технологическую камеру установки плазмохимической обработки на поддон (толщина слоя примерно 0,45 мм). Создавали плазменный разряд в среде CO2 при остаточном давлении 0,5 Торр, удельной мощности электрического разряда 0,1 Вт/см3 и частоте 13 МГц. Обработку осуществляли в течение 400 с. 105 мг полученного в результате плазменной обработки материала помещали в стеклянный стакан вместимостью 250 см3, добавляли 100 см3 концентрированной азотной кислоты и нагревали до кипения на электроплитке. Смесь выдерживали при нагревании 6 минут, после чего снимали с плитки и охлаждали до комнатной температуры. УНТ фильтровали через плотный фильтр (марки «зеленая лента») и промывали 5 раз дистиллированной водой. Многостенные УНТ сушили на воздухе 12 часов. В пробирку с крышечкой вместимостью 10 см3 помещали: 0,005 г многостенных УНТ; 0,075 г платинированной сажи (Е-ТЕК с 20 мас.% Pt); 0,20 г 10% водного раствора нафиона; 1,57 г изопропанола. Пробирку закрывали крышкой и ставили в ультразвуковую ванну на 60 минут (частота ультразвука 40 кГц). В процессе ультразвуковой обработки температуру в ванне поддерживали ~25°С. Получившиеся каталитические чернила поместили в камеру аэрографа. На поверхность с регулируемой температурой, равной 80°С, помещали протонпроводящую мембрану типа nafion 212 размером 40×40 мм2, накрывали маской из нержавеющей стали с окном 10×10 мм2 и выдерживали 3 минуты для прогревания. После этого включали компрессор аэрографа и напыляли ~1 см3 на первую поверхность мембраны. Затем мембрану переворачивали, накрывали маской и напыляли оставшиеся каталитические чернила на вторую поверхность мембраны (~1 см3).Multi-walled CNTs were placed in a technological chamber of a plasma-chemical treatment installation on a tray (layer thickness of about 0.45 mm). A plasma discharge was created in a CO 2 medium at a residual pressure of 0.5 Torr, a specific electric discharge power of 0.1 W / cm 3 and a frequency of 13 MHz. Processing was carried out for 400 s. 105 mg of the resulting plasma treatment material was placed in a glass beaker with a capacity of 250 cm 3 , 100 cm 3 of concentrated nitric acid was added and heated to boiling on an electric stove. The mixture was kept under heating for 6 minutes, after which it was removed from the tile and cooled to room temperature. CNTs were filtered through a dense filter (“green tape” brand) and washed 5 times with distilled water. Multiwall CNTs were air dried 12 hours. In a test tube with a cap with a capacity of 10 cm 3 were placed: 0.005 g of multi-walled CNTs; 0.075 g platinum carbon black (E-TEK with 20 wt.% Pt); 0.20 g of a 10% aqueous solution of Nafion; 1.57 g of isopropanol. The tube was closed with a lid and placed in an ultrasonic bath for 60 minutes (ultrasound frequency 40 kHz). During ultrasonic treatment, the temperature in the bath was maintained at ~ 25 ° C. The resulting catalytic ink was placed in an airbrush chamber. A proton-conducting membrane of the nafion 212 type with a size of 40 × 40 mm 2 was placed on a surface with a controlled temperature of 80 ° C, covered with a stainless steel mask with a window of 10 × 10 mm 2 and held for 3 minutes for heating. After that, the airbrush compressor was turned on and ~ 1 cm 3 was sprayed onto the first surface of the membrane. Then, the membrane was turned over, covered with a mask, and the remaining catalytic ink was sprayed onto the second surface of the membrane (~ 1 cm 3 ).

Пример 2. Образец АТК-11Example 2. Sample ATK-11

Многостенные УНТ помещали в технологическую камеру установки плазмохимической обработки на поддон (толщина слоя примерно 0,45 мм). Создавали плазменный разряд в среде Ar при остаточном давлении 1,1 Торр, удельной мощности электрического разряда 0,07 Вт/см3 и частоте 40 МГц. Обработку осуществляли в течение 500 с. 50 мг полученных в результате плазменной обработки многостенных УНТ помещали в стеклянный стакан вместимостью 250 см3, добавляли 100 см3 концентрированной азотной кислоты и нагревали до кипения на электроплитке. Смесь выдерживали при нагревании 10 минут, после чего снимали с плитки и охлаждали до комнатной температуры. Многостенные УНТ фильтровали через плотный фильтр (марки «зеленая лента») и промывали 5 раз дистиллированной водой. Многостенные УНТ сушили на воздухе 12 часов. В пробирку с крышечкой вместимостью 10 см3 помещали: 0,0072 мг многостенных УНТ; 0,072 г платинированной сажи (Е-ТЕК с 20 мас.% Pt); 0,21 г 10% водного раствора нафиона; 4,71 г изопропанола. Пробирку закрывали крышкой и ставили в ультразвуковую ванну на 60 минут (частота ультразвука 40 кГц). В процессе ультразвуковой обработки температуру в ванне поддерживали ~23°С. Получившиеся каталитические чернила поместили в камеру аэрографа. На поверхность с регулируемой температурой, равной 80°С, помещали протонпроводящую мембрану типа nafion 212 размером 40×40 мм2, накрывали маской из нержавеющей стали с окном 15×15 мм2 и выдерживали 5 минут для прогревания. После этого включали компрессор аэрографа и напыляли ~1 см3 на первую поверхность мембраны. Затем мембрану переворачивали, накрывали маской и напыляли оставшиеся каталитические чернила на вторую поверхность мембраны (~1 см3).Multi-walled CNTs were placed in a technological chamber of a plasma-chemical treatment installation on a tray (layer thickness of about 0.45 mm). A plasma discharge was created in an Ar medium at a residual pressure of 1.1 Torr, a specific electric discharge power of 0.07 W / cm 3 and a frequency of 40 MHz. Processing was carried out for 500 s. 50 mg of multi-walled CNTs obtained by plasma treatment were placed in a glass beaker with a capacity of 250 cm 3 , 100 cm 3 of concentrated nitric acid was added and heated to boiling on an electric stove. The mixture was kept under heating for 10 minutes, after which it was removed from the tile and cooled to room temperature. Multi-walled CNTs were filtered through a dense filter (“green tape” brand) and washed 5 times with distilled water. Multiwall CNTs were air dried 12 hours. In a test tube with a cap with a capacity of 10 cm 3 were placed: 0,0072 mg of multi-walled CNTs; 0.072 g platinum carbon black (E-TEK with 20 wt.% Pt); 0.21 g of a 10% aqueous solution of Nafion; 4.71 g of isopropanol. The tube was closed with a lid and placed in an ultrasonic bath for 60 minutes (ultrasound frequency 40 kHz). During ultrasonic treatment, the temperature in the bath was maintained at ~ 23 ° C. The resulting catalytic ink was placed in an airbrush chamber. A proton-conducting membrane of the nafion 212 type with a size of 40 × 40 mm 2 was placed on a surface with a controlled temperature of 80 ° C, covered with a stainless steel mask with a window of 15 × 15 mm 2 and kept for 5 minutes for heating. After that, the airbrush compressor was turned on and ~ 1 cm 3 was sprayed onto the first surface of the membrane. Then, the membrane was turned over, covered with a mask, and the remaining catalytic ink was sprayed onto the second surface of the membrane (~ 1 cm 3 ).

Пример 3. Образец АТК-14Example 3. Sample ATK-14

Многостенные УНТ помещали в технологическую камеру установки плазмохимической обработки на поддон (толщина слоя примерно 0,45 мм). Создавали плазменный разряд в среде Ar+O2+N2 в равных долях при остаточном давлении 0,5 Торр, удельной мощности электрического разряда 0,05 Вт/см3 и частоте 40 МГц. Обработку осуществляли в течение 450 с. 100 мг полученного в результате плазменной обработки материала помещали в стеклянный стакан вместимостью 250 см3, добавляли 100 см3 концентрированной азотной кислоты и нагревали до кипения на электроплитке. Смесь выдерживали при нагревании 10 минут, после чего снимали с плитки и охлаждали до комнатной температуры. Многостенные УНТ фильтровали через плотный фильтр (марки «зеленая лента») и промывали 5 раз дистиллированной водой. УНТ сушили на воздухе 12 часов. В пробирку с крышечкой вместимостью 10 см3 помещали: 0,011 г многостенных УНТ; 0,069 г платинированной сажи (Е-ТЕК с 20 мас.% Pt); 0,20 г 10% водного раствора нафиона; 2,36 г изопропанола. Пробирку закрывали крышкой и ставили в ультразвуковую ванну на 60 минут (частота ультразвука 40 кГц). В процессе ультразвуковой обработки температуру в ванне поддерживали ~25°С. Получившиеся каталитические чернила поместили в камеру аэрографа. На поверхность с регулируемой температурой, равной 90°С, помещали протонпроводящую мембрану типа nafion 212 размером 40×40 мм2, накрывали маской из нержавеющей стали с окном 10×10 мм2 и выдерживали 2 минуты для прогревания. После этого включали компрессор аэрографа и напыляли ~0,7 см3 на первую поверхность мембраны. Затем мембрану переворачивали, накрывали маской и напыляли оставшиеся каталитические чернила на вторую поверхность мембраны (~1,3 см3).Multi-walled CNTs were placed in a technological chamber of a plasma-chemical treatment installation on a tray (layer thickness of about 0.45 mm). A plasma discharge was created in an Ar + O 2 + N 2 medium in equal parts at a residual pressure of 0.5 Torr, a specific electric discharge power of 0.05 W / cm 3 and a frequency of 40 MHz. Processing was carried out for 450 s. 100 mg of the resulting plasma treatment material was placed in a glass beaker with a capacity of 250 cm 3 , 100 cm 3 of concentrated nitric acid was added and heated to boiling on an electric stove. The mixture was kept under heating for 10 minutes, after which it was removed from the tile and cooled to room temperature. Multi-walled CNTs were filtered through a dense filter (“green tape” brand) and washed 5 times with distilled water. CNTs were air dried for 12 hours. In a test tube with a cap with a capacity of 10 cm 3 were placed: 0.011 g of multi-walled CNTs; 0.069 g of platinum carbon black (E-TEK with 20 wt.% Pt); 0.20 g of a 10% aqueous solution of Nafion; 2.36 g of isopropanol. The tube was closed with a lid and placed in an ultrasonic bath for 60 minutes (ultrasound frequency 40 kHz). During ultrasonic treatment, the temperature in the bath was maintained at ~ 25 ° C. The resulting catalytic ink was placed in an airbrush chamber. A 40 × 40 mm 2 proton-conducting membrane of nafion 212 type was placed on a surface with a controlled temperature of 90 ° С, covered with a stainless steel mask with a window of 10 × 10 mm 2, and held for 2 minutes for heating. After that, the airbrush compressor was turned on and ~ 0.7 cm 3 was sprayed onto the first surface of the membrane. Then, the membrane was turned over, covered with a mask, and the remaining catalytic ink was sprayed onto the second surface of the membrane (~ 1.3 cm 3 ).

Пример 4. Образец АДК-3Example 4. Sample ADK-3

Многостенные УНТ помещали в технологическую камеру установки плазмохимической обработки на поддон (толщина слоя примерно 0,45 мм). Создавали плазменный разряд в среде Ar+O2+N2 в равных долях при остаточном давлении 0,5 Торр, удельной мощности электрического разряда 0,05 Вт/см3 и частоте 40 МГц. Обработку осуществляли в течение 450 с. 100 мг полученных в результате плазменной обработки многостенных УНТ помещали в стеклянный стакан вместимостью 250 см3, добавляли 100 см3 концентрированной азотной кислоты и нагревали до кипения на электроплитке. Смесь выдерживали при нагревании 10 минут, после чего снимали с плитки и охлаждали до комнатной температуры. УНТ фильтровали через плотный фильтр (марки «зеленая лента») и промывали 5 раз дистиллированной водой. УНТ сушили на воздухе 12 часов. В пробирку с крышечкой вместимостью 10 см3 помещали: 0,022 г УНТ; 0,056 г платинированной сажи (Е-ТЕК с 20 мас.% Pt); 0,20 г 10% водного раствора нафиона; 1,57 г изопропанола. Пробирку закрывали крышкой и ставили в ультразвуковую ванну на 60 минут (частота ультразвука 40 кГц). В процессе ультразвуковой обработки температуру в ванне поддерживали ~23°С. Получившиеся каталитические чернила поместили в камеру аэрографа. На поверхность с регулируемой температурой, равной 80°С, помещали протонпроводящую мембрану типа nafion 212 размером 40×40 мм2, накрывали маской из нержавеющей стали с окном 10×10 мм2 и выдерживали 3 минуты для прогревания. После этого включали компрессор аэрографа и напыляли ~1 см3 на первую поверхность мембраны. Затем мембрану переворачивали, накрывали маской и напыляли оставшиеся каталитические чернила на вторую поверхность мембраны (~1 см3).Multi-walled CNTs were placed in a technological chamber of a plasma-chemical treatment installation on a tray (layer thickness of about 0.45 mm). A plasma discharge was created in an Ar + O 2 + N 2 medium in equal parts at a residual pressure of 0.5 Torr, a specific electric discharge power of 0.05 W / cm 3 and a frequency of 40 MHz. Processing was carried out for 450 s. 100 mg of multi-walled CNTs obtained by plasma treatment were placed in a glass beaker with a capacity of 250 cm 3 , 100 cm 3 of concentrated nitric acid was added and heated to boiling on an electric stove. The mixture was kept under heating for 10 minutes, after which it was removed from the tile and cooled to room temperature. CNTs were filtered through a dense filter (“green tape” brand) and washed 5 times with distilled water. CNTs were air dried for 12 hours. In a test tube with a cap with a capacity of 10 cm 3 were placed: 0.022 g of CNT; 0.056 g of platinum carbon black (E-TEK with 20 wt.% Pt); 0.20 g of a 10% aqueous solution of Nafion; 1.57 g of isopropanol. The tube was closed with a lid and placed in an ultrasonic bath for 60 minutes (ultrasound frequency 40 kHz). During ultrasonic treatment, the temperature in the bath was maintained at ~ 23 ° C. The resulting catalytic ink was placed in an airbrush chamber. A proton-conducting membrane of the nafion 212 type with a size of 40 × 40 mm 2 was placed on a surface with a controlled temperature of 80 ° C, covered with a stainless steel mask with a window of 10 × 10 mm 2 and held for 3 minutes for heating. After that, the airbrush compressor was turned on and ~ 1 cm 3 was sprayed onto the first surface of the membrane. Then, the membrane was turned over, covered with a mask, and the remaining catalytic ink was sprayed onto the second surface of the membrane (~ 1 cm 3 ).

Пример 5. Образец АДК-2Example 5. Sample ADK-2

Многостенные УНТ помещали в технологическую камеру установки плазмохимической обработки на поддон (толщина слоя примерно 0,45 мм). Создавали плазменный разряд в среде Ar+O2+N2 в равных долях при остаточном давлении 0,5 Торр, удельной мощности электрического разряда 0,05 Вт/см3 и частоте 40 МГц. Обработку осуществляли в течение 450 с. 100 мг полученных в результате плазменной обработки многостенных УНТ помещали в стеклянный стакан вместимостью 250 см3, добавляли 100 см3 концентрированной азотной кислоты и нагревали до кипения на электроплитке. Смесь выдерживали при нагревании 10 минут, после чего снимали с плитки и охлаждали до комнатной температуры. УНТ фильтровали через плотный фильтр (марки «зеленая лента») и промывали 5 раз дистиллированной водой. Многостенные УНТ сушили на воздухе 12 часов. В пробирку с крышечкой вместимостью 10 см3 помещали: 0,038 г многостенных УНТ; 0,038 г платинированной сажи (Е-ТЕК с 20 мас.% Pt); 0,25 г 10% водного раствора нафиона; 1,96 г изопропанола. Пробирку закрывали крышкой и ставили в ультразвуковую ванну на 60 минут (частота ультразвука 40 кГц). В процессе ультразвуковой обработки температуру в ванне поддерживали ~22°С. Получившиеся каталитические чернила поместили в камеру аэрографа. На поверхность с регулируемой температурой, равной 70°С, помещали протонпроводящую мембрану типа nafion 212 размером 40×40 мм2, накрывали маской из нержавеющей стали с окном 23×23 мм2 и выдерживали 3 минуты для прогревания. После этого включали компрессор аэрографа и напыляли ~1 см3 на первую поверхность мембраны. Затем мембрану переворачивали, накрывали маской и напыляли оставшиеся каталитические чернила на вторую поверхность мембраны (~1 см3).Multi-walled CNTs were placed in a technological chamber of a plasma-chemical treatment installation on a tray (layer thickness of about 0.45 mm). A plasma discharge was created in an Ar + O 2 + N 2 medium in equal parts at a residual pressure of 0.5 Torr, a specific electric discharge power of 0.05 W / cm 3 and a frequency of 40 MHz. Processing was carried out for 450 s. 100 mg of multi-walled CNTs obtained by plasma treatment were placed in a glass beaker with a capacity of 250 cm 3 , 100 cm 3 of concentrated nitric acid was added and heated to boiling on an electric stove. The mixture was kept under heating for 10 minutes, after which it was removed from the tile and cooled to room temperature. CNTs were filtered through a dense filter (“green tape” brand) and washed 5 times with distilled water. Multiwall CNTs were air dried 12 hours. In a test tube with a cap with a capacity of 10 cm 3 were placed: 0.038 g of multi-walled CNTs; 0.038 g platinum carbon black (E-TEK with 20 wt.% Pt); 0.25 g of a 10% aqueous solution of Nafion; 1.96 g of isopropanol. The tube was closed with a lid and placed in an ultrasonic bath for 60 minutes (ultrasound frequency 40 kHz). During ultrasonic treatment, the temperature in the bath was maintained at ~ 22 ° C. The resulting catalytic ink was placed in an airbrush chamber. A nafion 212 proton-conducting membrane of 40 × 40 mm 2 type was placed on a surface with a controlled temperature of 70 ° C, covered with a stainless steel mask with a 23 × 23 mm 2 window, and held for 3 minutes for heating. After that, the airbrush compressor was turned on and ~ 1 cm 3 was sprayed onto the first surface of the membrane. Then, the membrane was turned over, covered with a mask, and the remaining catalytic ink was sprayed onto the second surface of the membrane (~ 1 cm 3 ).

Пример 6. Образец АДК-1Example 6. Sample ADK-1

Многостенные УНТ помещали в технологическую камеру установки плазмохимической обработки на поддон (толщина слоя примерно 0,45 мм). Создавали плазменный разряд в среде Ar+О2+N2 в равных долях при остаточном давлении 0,5 Торр, удельной мощности электрического разряда 0,05 Вт/см3 и частоте 40 МГц. Обработку осуществляли в течение 450 с. 100 мг полученных в результате плазменной обработки многостенных УНТ помещали в стеклянный стакан вместимостью 250 см3, добавляли 100 см3 концентрированной азотной кислоты и нагревали до кипения на электроплитке. Смесь выдерживали при нагревании 10 минут, после чего снимали с плитки и охлаждали до комнатной температуры. УНТ фильтровали через плотный фильтр (марки «зеленая лента») и промывали 5 раз дистиллированной водой. Многостенные УНТ сушили на воздухе 12 часов. В пробирку с крышечкой вместимостью 10 см3 помещали: 0,038 г многостенных УНТ; 0,038 г платинированной сажи (Е-ТЕК с 40 мас.% Pt); 0,25 г 10% водного раствора нафиона; 1,96 г изопропанола. Пробирку закрывали крышкой и ставили в ультразвуковую ванну на 60 минут (частота ультразвука 40 кГц). В процессе ультразвуковой обработки температуру в ванне поддерживали ~22°С. Получившиеся каталитические чернила поместили в камеру аэрографа. На поверхность с регулируемой температурой, равной 70°С, помещали протонпроводящую мембрану типа nafion 212 размером 40×40 мм2, накрывали маской из нержавеющей стали с окном 23×23 мм2 и выдерживали 3 минуты для прогревания. После этого включали компрессор аэрографа и напыляли ~0,5 см3 на первую поверхность мембраны. Затем мембрану переворачивали, накрывали маской и напыляли каталитические чернила на вторую поверхность мембраны (~0,5 см3).Multi-walled CNTs were placed in a technological chamber of a plasma-chemical treatment installation on a tray (layer thickness of about 0.45 mm). A plasma discharge was created in an Ar + O 2 + N 2 medium in equal proportions at a residual pressure of 0.5 Torr, a specific electric discharge power of 0.05 W / cm 3 and a frequency of 40 MHz. Processing was carried out for 450 s. 100 mg of multi-walled CNTs obtained by plasma treatment were placed in a glass beaker with a capacity of 250 cm 3 , 100 cm 3 of concentrated nitric acid was added and heated to boiling on an electric stove. The mixture was kept under heating for 10 minutes, after which it was removed from the tile and cooled to room temperature. CNTs were filtered through a dense filter (“green tape” brand) and washed 5 times with distilled water. Multiwall CNTs were air dried 12 hours. In a test tube with a cap with a capacity of 10 cm 3 were placed: 0.038 g of multi-walled CNTs; 0.038 g platinum carbon black (E-TEK with 40 wt.% Pt); 0.25 g of a 10% aqueous solution of Nafion; 1.96 g of isopropanol. The tube was closed with a lid and placed in an ultrasonic bath for 60 minutes (ultrasound frequency 40 kHz). During ultrasonic treatment, the temperature in the bath was maintained at ~ 22 ° C. The resulting catalytic ink was placed in an airbrush chamber. A nafion 212 proton-conducting membrane of 40 × 40 mm 2 type was placed on a surface with a controlled temperature of 70 ° C, covered with a stainless steel mask with a 23 × 23 mm 2 window, and held for 3 minutes for heating. After that, the airbrush compressor was turned on and ~ 0.5 cm 3 was sprayed onto the first surface of the membrane. Then, the membrane was turned over, covered with a mask, and catalytic ink was sprayed onto the second surface of the membrane (~ 0.5 cm 3 ).

Сводные характеристики работы каталитических слоев, изготовленных с добавлением функционализированных многостенных углеродных нанотрубок, приведены в таблице на фиг.3.A summary of the performance of the catalytic layers made with the addition of functionalized multi-walled carbon nanotubes is shown in the table in FIG. 3.

Разработанный способ формирования каталитических слоев твердополимерных топливных элементов не требует применения сложной технологии. При его использовании в мембранно-электродных блоках твердополимерных топливных элементов обеспечивается повышенная удельная мощность за счет увеличения эффективности катализа. В случае когда на анод подают водород, а на катод воздух при комнатной температуре, достигнута удельная мощность 425 мВт/см2, что существенно выше, чем для КС, приготовленных по ранее существующим технологиям (180 мВт/см2). Кроме того, настоящий способ позволил существенно повысить эффективность использования платины. Массовая каталитическая активность достигла 1150 мВт/мг (платины). Ранее существующие методы имеют этот показатель равным 290 мВт/мг (платины). Каталитические слои, приготовленные с использованием ФМСУНТ, позволяют получить существенно большую (в 2,4 раза) удельную мощность по сравнению со слоями без ФМСУНТ (фиг.1 и 2). Массовая каталитическая активность платины (эффективность использования платины) зависит от содержания ФМСУНТ в каталитическом слое и имеет максимум при содержании около 10%. Максимальная удельная мощность каталитических слоев, содержащих ФМСУНТ, увеличивается с увеличением загрузки платины, но МКА платины (эффективность использования платины) при этом падает.The developed method for the formation of catalytic layers of solid polymer fuel cells does not require the use of complex technology. When used in membrane-electrode blocks of solid polymer fuel cells, an increased specific power is provided due to an increase in the efficiency of catalysis. When hydrogen is supplied to the anode and air is supplied to the cathode at room temperature, a specific power of 425 mW / cm 2 is achieved, which is significantly higher than for CS prepared using previously existing technologies (180 mW / cm 2 ). In addition, the present method has significantly improved the efficiency of platinum use. Mass catalytic activity reached 1150 mW / mg (platinum). Previously existing methods have this indicator equal to 290 mW / mg (platinum). The catalytic layers prepared using FMSCNT, allow to obtain a significantly greater (2.4 times) specific power compared with layers without FMSCNT (Figs. 1 and 2). The mass catalytic activity of platinum (platinum utilization efficiency) depends on the content of FMSCNTs in the catalytic layer and has a maximum at a content of about 10%. The maximum specific power of the catalytic layers containing FMSCNTs increases with an increase in the loading of platinum, but the MCA of platinum (the efficiency of use of platinum) decreases.

Claims (4)

1. Способ формирования каталитического слоя твердополимерного топливного элемента, включающий обработку многостенных углеродных нанотрубок газовой плазмой в среде неорганического газа или смеси неорганических газов при частоте электрического разряда 13-40 МГц мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см3 и давлении 0,20-1,13 Торр в течение 300-500 с, последующую обработку многостенных углеродных нанотрубок концентрированной азотной кислотой при температуре 100-120°С в течение 5-10 мин, охлаждение полученной первой суспензии до комнатной температуры, отфильтровывание из нее многостенных углеродных нанотрубок, промывку их дистиллированной водой и сушку при комнатной температуре, смешивание просушенных многостенных углеродных нанотрубок с платинированной углеродной сажей, содержащей 20-40 мас.% платины, изопропанолом и водным раствором нафиона, взятых в расчете на сухое вещество в соотношении, мас.%:
многостенные углеродные нанотрубки 0,15-1,8 платинированная углеродная сажа 1,5-4,5 нафион 0,44-1,20 изопропанол 94-98

обработку полученной второй суспензии ультразвуком в течение 30-60 мин и последующее напыление второй суспензии на нагретую до температуры 70-90°С протонпроводящую мембрану на основе перфторированного сульфополимера.
1. A method of forming a catalytic layer of a solid polymer fuel cell, comprising treating multi-walled carbon nanotubes with gas plasma in an inorganic gas or inorganic gas mixture at an electric discharge frequency of 13-40 MHz of an electric discharge power of 0.01-0.1 W / cm 3 and pressure 0 , 20-1.13 Torr for 300-500 s, subsequent processing of multi-walled carbon nanotubes with concentrated nitric acid at a temperature of 100-120 ° C for 5-10 minutes, cooling the first suspension to room temperature s, filtering out multi-walled carbon nanotubes from it, washing them with distilled water and drying at room temperature, mixing dried multi-walled carbon nanotubes with platinum carbon black containing 20-40 wt.% platinum, isopropanol and an aqueous Nafion solution, calculated on the dry matter in the ratio, wt.%:
multi-walled carbon nanotubes 0.15-1.8 platinum carbon black 1,5-4,5 nafion 0.44-1.20 isopropanol 94-98

sonication of the obtained second suspension for 30-60 minutes and subsequent spraying of the second suspension onto a proton-conducting membrane based on a perfluorinated sulfopolymer heated to a temperature of 70-90 ° C.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве перфорированного сульфополимера используют нафион.2. The method according to claim 1, characterized in that Nafion is used as the perforated sulfopolymer. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторую суспензию напыляют аэрографом через металлическую маску с отверстием, равным заданному размеру каталитического слоя.3. The method according to claim 1, characterized in that the second suspension is sprayed with an airbrush through a metal mask with an opening equal to the specified size of the catalytic layer. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве неорганического газа используют газ, выбранный из группы: азот, аргон, диоксид углерода, кислород и их смеси. 4. The method according to claim 1, characterized in that the inorganic gas is a gas selected from the group: nitrogen, argon, carbon dioxide, oxygen and mixtures thereof.
RU2011115431/07A 2011-04-19 2011-04-19 Method of forming catalyst layer for solid-polymer fuel cell RU2456717C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011115431/07A RU2456717C1 (en) 2011-04-19 2011-04-19 Method of forming catalyst layer for solid-polymer fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011115431/07A RU2456717C1 (en) 2011-04-19 2011-04-19 Method of forming catalyst layer for solid-polymer fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2456717C1 true RU2456717C1 (en) 2012-07-20

Family

ID=46847591

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011115431/07A RU2456717C1 (en) 2011-04-19 2011-04-19 Method of forming catalyst layer for solid-polymer fuel cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2456717C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497601C1 (en) * 2012-10-10 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of plasma-chemical treatment of electrochemical catalyst caron carrier
RU2555859C2 (en) * 2013-03-26 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Single-chamber fuel cell and method of producing conducting nanocomposite material therefor
RU2561711C2 (en) * 2012-11-14 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) Method of catalytic electrode manufacturing based on heteropoly compounds for hydrogen and methanol fuel elements
RU2590890C1 (en) * 2012-08-02 2016-07-10 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Electrode for fuel cell and method for fabricating electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell
RU2701549C1 (en) * 2018-12-24 2019-09-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of forming catalytic layer of solid polymer fuel element
RU2781052C1 (en) * 2021-11-29 2022-10-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for manufacturing a catalytic layer of electrodes for a solid polymer fuel cell

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6403245B1 (en) * 1999-05-21 2002-06-11 Microcoating Technologies, Inc. Materials and processes for providing fuel cells and active membranes
US7220693B1 (en) * 2002-06-27 2007-05-22 H Power Corporation Fuel cell catalyst electrodes
WO2010051637A1 (en) * 2008-11-07 2010-05-14 National Research Council Of Canada Catalytic materials for fuel cell electrodes and method for their production
RU2414021C1 (en) * 2010-02-25 2011-03-10 Федеральное Государственное учреждение "Российский научный центр "Курчатовский институт" (РНЦ "Курчатовский институт") Method of making catalyst layer for fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6403245B1 (en) * 1999-05-21 2002-06-11 Microcoating Technologies, Inc. Materials and processes for providing fuel cells and active membranes
US7220693B1 (en) * 2002-06-27 2007-05-22 H Power Corporation Fuel cell catalyst electrodes
WO2010051637A1 (en) * 2008-11-07 2010-05-14 National Research Council Of Canada Catalytic materials for fuel cell electrodes and method for their production
RU2414021C1 (en) * 2010-02-25 2011-03-10 Федеральное Государственное учреждение "Российский научный центр "Курчатовский институт" (РНЦ "Курчатовский институт") Method of making catalyst layer for fuel cell

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2590890C1 (en) * 2012-08-02 2016-07-10 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Electrode for fuel cell and method for fabricating electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell
RU2497601C1 (en) * 2012-10-10 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of plasma-chemical treatment of electrochemical catalyst caron carrier
RU2561711C2 (en) * 2012-11-14 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) Method of catalytic electrode manufacturing based on heteropoly compounds for hydrogen and methanol fuel elements
RU2555859C2 (en) * 2013-03-26 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Single-chamber fuel cell and method of producing conducting nanocomposite material therefor
RU2701549C1 (en) * 2018-12-24 2019-09-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of forming catalytic layer of solid polymer fuel element
RU2781052C1 (en) * 2021-11-29 2022-10-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for manufacturing a catalytic layer of electrodes for a solid polymer fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3053648B1 (en) Use of carbon powder in fuel cell catalyst, fuel cell catalyst with carbon powder, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and fuel cell
KR101804714B1 (en) Supporting carbon material for solid polymer fuel cell, metal-catalyst-particle-supporting carbon material, and method for manufacturing said materials
JP5384335B2 (en) Ion conductive membrane
CN102306810A (en) Composite catalyst of self-humidifying fuel cell and manufacturing method and application thereof
US6548202B2 (en) Carbon-supported catalysts for fuel cells
RU2456717C1 (en) Method of forming catalyst layer for solid-polymer fuel cell
WO2013160719A1 (en) Metal-alloy graphene nanocomposites and methods for their preparation and use
Gharibi et al. Optimization of the amount of Nafion in multi-walled carbon nanotube/Nafion composites as Pt supports in gas diffusion electrodes for proton exchange membrane fuel cells
Chabi et al. Electrocatalysis of oxygen reduction reaction on Nafion/platinum/gas diffusion layer electrode for PEM fuel cell
Ivanova et al. Comparison of the performance and durability of PEM fuel cells with different Pt-activated microporous layers
Zhang et al. High performance and durability of polymer-coated Pt electrocatalyst supported on oxidized multi-walled in high-temperature polymer electrolyte fuel cells
Chae et al. Effects of fabrication parameters of membrane–electrode assembly for high-performance anion exchange membrane fuel cells
WO2005057698A1 (en) Fuel cell
Wang et al. Carboxylated carbonized polyaniline nanofibers as Pt-catalyst conducting support for proton exchange membrane fuel cell
Kim et al. A facile approach to improve the performance of alkaline anion exchange membrane fuel cells by reducing ionic resistance
JP6369848B2 (en) Metal nanoparticle-supporting carbon material and method for producing the same, and method for producing functionalized exfoliated carbon material
Gharibi et al. Fabrication of MEA based on sulfonic acid functionalized carbon supported platinum nanoparticles for oxygen reduction reaction in PEMFCs
CA2643157C (en) Solid polymer fuel cell and method for producing mea used for solid polymer fuel cell
JP6345663B2 (en) ELECTRODE FOR FUEL CELL, MANUFACTURING METHOD THEREOF, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND SOLID POLYMER FUEL CELL
Yang et al. NaOH‐Aided Platinum Nanoparticle Size Regulation on Polybenzimidazole‐Wrapped Carbon Nanotubes for Use as Non‐Humidified Polymer Electrolyte Fuel Cell Catalyst
RU2701549C1 (en) Method of forming catalytic layer of solid polymer fuel element
JP4893704B2 (en) Method for producing catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell and catalyst layer-electrolyte membrane laminate
RU2421849C1 (en) Method of making catalytic material for fuel cell
JP2006252938A (en) Electrode for solid polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method
Lee et al. Self‐Assembled Hollow Gyroids with Bicontinuous Mesostructures: A Highly Robust Electrocatalyst Fixation Platform

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140420

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160320