RU2422950C1 - Method of making silicion-based electrodes of fuel cells coated with nano-catalysts - Google Patents

Method of making silicion-based electrodes of fuel cells coated with nano-catalysts Download PDF

Info

Publication number
RU2422950C1
RU2422950C1 RU2010119817/07A RU2010119817A RU2422950C1 RU 2422950 C1 RU2422950 C1 RU 2422950C1 RU 2010119817/07 A RU2010119817/07 A RU 2010119817/07A RU 2010119817 A RU2010119817 A RU 2010119817A RU 2422950 C1 RU2422950 C1 RU 2422950C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
fuel cells
platinum
silicon
annealing
Prior art date
Application number
RU2010119817/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Васильевич Старков (RU)
Виталий Васильевич Старков
Андрей Викторович Тетерский (RU)
Андрей Викторович Тетерский
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ 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 Учреждение Российской академии наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН)
Priority to RU2010119817/07A priority Critical patent/RU2422950C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2422950C1 publication Critical patent/RU2422950C1/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
    • 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
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method involves formation of a metal primer on the surface of electrodes, particularly from solutions of gold-containing precursors via chemical deposition, depositing solutions of platinum-containing precursors and then thermal decomposition with photon annealing. The solutions of platinum-containing precursors used can be ammonium hexachloroplatinate solution.
EFFECT: high efficiency of electrodes of fuel cells, characterised by high rate of cathode reaction on electrodes, characterised by high values of open-circuit voltage.
5 cl, 1 dwg, 7 ex

Description

Изобретение относится к водородной энергетики и каталитической химии и может быть использовано в химических источниках тока, в частности в портативных топливных элементах с твердым полимерным или жидкостным электролитами.The invention relates to hydrogen energy and catalytic chemistry and can be used in chemical current sources, in particular in portable fuel cells with solid polymer or liquid electrolytes.

Электроды топливного элемента с нанокатализаторами являются одним из ключевых компонентов, во многом определяющих производительность, коэффициент полезного действия, срок службы топливного элемента, а также его стоимость, поскольку в качестве катализатора в основном используется платина, обладающая сравнительно с другими металлами наибольшей эффективностью. Катализатор, находясь в среде топлива (водорода на анодном электроде) или окислителя (кислорода на кислородном электроде) должен единовременно обеспечивать также электрический контакт с токоподводящим электродом и «протонный» контакт с протонпроводящим электролитом. Для повышения удельной активности катализатора и снижения его расхода необходимым условием является получение наноразмерного катализатора с высокой удельной поверхностью.Electrodes of a fuel cell with nanocatalysts are one of the key components that largely determine productivity, efficiency, service life of a fuel cell, and its cost, since platinum is used mainly as a catalyst, which has the highest efficiency compared to other metals. The catalyst, being in the environment of fuel (hydrogen on the anode electrode) or oxidizer (oxygen on the oxygen electrode) must also simultaneously provide electrical contact with the current-conducting electrode and “proton” contact with the proton-conducting electrolyte. To increase the specific activity of the catalyst and reduce its consumption, a prerequisite is to obtain a nanoscale catalyst with a high specific surface.

В традиционных твердополимерных топливных элементах в качестве электрода используют углерод, а в качестве катализатора используют элементы платиновой группы, расположенные на углеродном носителе.In conventional solid polymer fuel cells, carbon is used as an electrode, and platinum group elements located on a carbon carrier are used as a catalyst.

Известен способ приготовления такого электрода (патент РФ №2324538, МПК B01J 37/04, опуб. 20.05.2008), включающий нанесение на поверхности электродов платиносодержащих катализаторов, расположенных на углеродном носителе. При этом доля наночастиц, закрепленных на поверхности углеродного носителя, составляет не менее 99%. Для обеспечения надежности на поверхности носителя может присутствовать смесь оксидов и гидроксидов олова (0,5-20 мас.%).A known method of preparing such an electrode (RF patent No. 2324538, IPC B01J 37/04, publ. 05/20/2008), comprising applying to the surface of the electrodes platinum-containing catalysts located on a carbon carrier. In this case, the fraction of nanoparticles fixed on the surface of the carbon carrier is at least 99%. To ensure reliability, a mixture of tin oxides and hydroxides (0.5-20 wt.%) May be present on the surface of the carrier.

Недостатками предложенного способа является присутствие в структуре «носителя» - автономных частичек углерода, размером от 20-100 нанометров, контакт которых с электродом достигается механическим прижимом массива носителей к электроду. Однако прижимной контакт, являясь случайно-обусловленным, не обеспечивает требуемой надежности и стабильности работы. Кроме того, для миниатюризации топливных элементов на основе кремния подобные конструкции не могут быть использованы.The disadvantages of the proposed method is the presence in the structure of the "carrier" - autonomous carbon particles, ranging in size from 20-100 nanometers, the contact of which with the electrode is achieved by mechanical clamping of the array of carriers to the electrode. However, the clamping contact, being randomly determined, does not provide the required reliability and stability. In addition, such designs cannot be used to miniaturize silicon-based fuel cells.

Известны способ приготовления электродов с нанокатализаторами для топливных элементов на кремниевых электродах. Большая часть предложений сводится к формированию катализаторов на поверхности кремния методами вакуумного осаждения, или методами CVD (Нечитайлов А.А. и др. Каталитические свойства композитных слоев аморфный углерод-платина в топливных элементах. Физика и техника полупроводников, 2008, том 42, вып.10, стр.1273-1278).A known method of preparing electrodes with nanocatalysts for fuel cells on silicon electrodes. Most of the proposals come down to the formation of catalysts on a silicon surface by vacuum deposition or CVD methods (Nechitailov A.A. et al. Catalytic properties of composite layers of amorphous carbon-platinum in fuel cells. Physics and Technology of Semiconductors, 2008, Volume 42, no. 10, p. 1273-1278).

Однако формирование этими методами катализатора на внутренней поверхности пор даже с относительно невысоким аспектным отношением связано с непреодолимыми техническими проблемами.However, the formation of a catalyst by these methods on the inner surface of pores even with a relatively low aspect ratio is associated with insurmountable technical problems.

Известен способ изготовления электродов топливных элементов на основе кремния с нанесенными на их поверхность нанокатализаторами, при котором на поверхности кремния или пористого кремния вакуумным осаждением формируют композитные пористые слои со встроенными в пористую матрицу кластерами катализатора (Нечитайлов А.А. и др. Каталитические свойства композитных слоев аморфный углерод-платина в топливных элементах. Физика и техника полупроводников, 2008, том 42, вып.10, стр.1273-1278) Помимо функции каталитического слоя, эти пористые слои могут одновременно выполнять функцию газодиффузионного слоя. Достоинствами предложенного метода является возможность формирования газодиффузионного, каталитического слоя с толщиной от нескольких единиц до 150 нанометров.A known method of manufacturing electrodes of fuel cells based on silicon with nanocatalysts deposited on their surface, in which composite porous layers with catalyst clusters embedded in the porous matrix are formed by vacuum deposition on the surface of silicon or porous silicon (A. Nechitailov et al. Catalytic properties of composite layers Amorphous Carbon-Platinum in Fuel Cells, Physics and Technology of Semiconductors, 2008, Volume 42, Issue 10, pp. 1273-1278) In addition to the function of the catalytic layer, these porous layers can simultaneously perform the function of a gas diffusion layer. The advantages of the proposed method is the possibility of forming a gas diffusion, catalytic layer with a thickness of several units to 150 nanometers.

Недостатками предложенного метода являются невозможность формирования сплошных слоев как на поверхности пор с диаметром более 150 нанометров, так и на внутренней поверхности макропор и, как следствие неэффективность применения метода для электродов на основе макропористого кремния.The disadvantages of the proposed method are the impossibility of forming continuous layers both on the surface of pores with a diameter of more than 150 nanometers and on the inner surface of macropores and, as a result, the inefficiency of applying the method for electrodes based on macroporous silicon.

Известен способ изготовления электродов топливных элементов (Ельцина О.С. и др. Каталитические свойства платины в топливных элементах. Письма в ЖТФ, 2008, том 34, вып.16, стр.36-40), в котором катализатор из платины наносят непосредственно на электроды из кремния или макропористого кремния. Осаждение осуществляют из платиносодержащих прекурсоров путем химического восстановления платины непосредственно кремнием. Процесс химического восстановления проводят при температурах от -10°C до +26°C. Наибольшая каталитическая активность получена при отрицательной температуре (-10°C).A known method of manufacturing electrodes of fuel cells (Yeltsin OS and others. The catalytic properties of platinum in fuel cells. Letters in ZhTF, 2008, volume 34, issue 16, pp. 36-40), in which a platinum catalyst is applied directly to Electrodes made of silicon or macroporous silicon. Precipitation is carried out from platinum-containing precursors by chemical reduction of platinum directly with silicon. The chemical reduction process is carried out at temperatures from -10 ° C to + 26 ° C. The highest catalytic activity was obtained at a negative temperature (-10 ° C).

Недостатком этого способа является невысокая надежность электродов топливных элементов из-за низкой устойчивости катализатора в агрессивных условиях функционирования топливных элементов. После нескольких десятков цикла включения-выключения топливных элементов с таким электрокатализатором, или нескольких часов нахождения электродов с катализатором в 0,5-1М растворе H2SO4 каталитическая активность падает почти в два раза.The disadvantage of this method is the low reliability of the electrodes of the fuel cells due to the low stability of the catalyst in aggressive conditions of functioning of the fuel cells. After several tens of on-off cycles of fuel cells with such an electrocatalyst, or several hours of finding the electrodes with the catalyst in a 0.5-1 M H 2 SO 4 solution, the catalytic activity drops almost twice.

Известен способ изготовления электродов топливных элементов на основе кремния с нанесенными на их поверхность нанокатализаторами (патент US 7,198,864 B2, МПК H01M 2/14, опуб. 2005-04-28), принятый за прототип, включающий формирование на поверхности пористых кремниевых электродов металлических праймеров, с последующим нанесением на них платиносодержащих прекурсоров и их сушку. Формирование праймера проводили путем многоступенчатого процесса. В качестве платиносодержащих прекурсоров катализатора брали водный раствор [Pt(NH3)4](OH)2-xH2O с pH 8,5. Сначала кремниевая пластина выдерживалась некоторое время в растворе. В результате на поверхности кремния осаждается платиносодержащий комплекс. Остатки непрореагировавших радикалов удалялись в холодной воде. Из-за низкой устойчивости комплекса необходимо сразу же после промывки осуществлять термическое восстановление платины медленным нагревом образцов от 20 до 400°C.A known method of manufacturing electrodes of fuel cells based on silicon with nanocatalysts deposited on their surface (patent US 7,198,864 B2, IPC H01M 2/14, publ. 2005-04-28), adopted as a prototype, including the formation on the surface of porous silicon electrodes of metal primers, with the subsequent application of platinum-containing precursors on them and their drying. The formation of the primer was carried out by a multi-stage process. An aqueous solution of [Pt (NH 3 ) 4 ] (OH) 2 -xH 2 O with a pH of 8.5 was taken as platinum-containing catalyst precursors. At first, the silicon wafer was kept in solution for some time. As a result, a platinum-containing complex is deposited on the silicon surface. Residues of unreacted radicals were removed in cold water. Due to the low stability of the complex, it is necessary immediately after washing to carry out the thermal reduction of platinum by slowly heating the samples from 20 to 400 ° C.

Однако эти требования и усложняют процесс и ужесточают требования к применяемым прекурсорам, требуя точного соблюдения pH растворов.However, these requirements both complicate the process and tighten the requirements for the precursors used, requiring exact observance of the pH of the solutions.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения технологии с одновременным повышением эффективности электродов топливных элементов.The present invention solves the problem of simplifying the technology while increasing the efficiency of the fuel cell electrodes.

Поставленная задача решается способом изготовления электродов топливных элементов на основе кремния с нанесенными на их поверхность нанокатализаторами, включающий формирование на поверхности электродов металлического праймера, нанесение на него растворов платиносодержащих прекурсоров и их последующее термическое разложение. Новизна изобретения заключается в том, что термическое разложение осуществляют фотонным отжигом.The problem is solved by the method of manufacture of silicon-based fuel cell electrodes with nanocatalysts deposited on their surface, including the formation of a metal primer on the surface of the electrodes, the application of solutions of platinum-containing precursors on it and their subsequent thermal decomposition. The novelty of the invention lies in the fact that thermal decomposition is carried out by photon annealing.

Известно применение термического отжига для разложения платиносодержащих солей (Некрасов Б.В. Неорганическая химия. «Химия», 1973, том 2, с.413, 419). Применение же фотонного отжига для термического разложения солей неизвестно. Нами неожиданно было обнаружено, что применение его при разложении растворов платиносодержащих прекурсоров на поверхности металлического праймера, нанесенного на электроды топливных элементов на основе кремния или пористого кремния приводят к увеличению эффективности катодной реакции на электродах.It is known the use of thermal annealing for the decomposition of platinum salts (Nekrasov BV Inorganic chemistry. "Chemistry", 1973, volume 2, p. 413, 419). The use of photon annealing for the thermal decomposition of salts is unknown. We unexpectedly found that its use in the decomposition of solutions of platinum-containing precursors on the surface of a metal primer deposited on electrodes of fuel cells based on silicon or porous silicon leads to an increase in the efficiency of the cathodic reaction on the electrodes.

Фотонный отжиг можно осуществлять облучением мощным некогерентным излучением галогенных ламп. Основная часть спектра излучения находится в области собственного поглощения кремния (λ≤1,1 мкм), что и определяет высокую эффективность нагрева образцов. Скорость нагрева образцов при этом может достигать (150-200)o/сек и зависит от конструктивных особенностей установки фотонного отжига. При таких скоростях нарастания температуры требуемая температура достигается за несколько секунд. При этом процесс восстановления катализатора происходит за время, которое не превышает 1 минуты.Photon annealing can be carried out by irradiation with powerful incoherent radiation of halogen lamps. The main part of the emission spectrum lies in the intrinsic absorption region of silicon (λ≤1.1 μm), which determines the high heating efficiency of the samples. In this case, the heating rate of the samples can reach (150-200) o / sec and depends on the design features of the photon annealing unit. At these rates of temperature rise, the desired temperature is reached in a few seconds. In this case, the catalyst recovery process takes place in a time that does not exceed 1 minute.

Исследование современного уровня техники показало, что случаи применения фотонного отжига для термического восстановления катализаторов при изготовлении катализаторов на электродах топливных элементов неизвестны.A study of the state of the art has shown that cases of using photon annealing for thermal reduction of catalysts in the manufacture of catalysts on fuel cell electrodes are unknown.

В настоящей заявке под термином праймер подразумевают материал, применяемый для предварительного нанесения на поверхность перед формированием слоя нанокатализатора.In this application, the term primer means a material used for preliminary application to the surface before forming a layer of nanocatalyst.

Под термином прекурсор понимается химическое вещество, исходный компонент или участник промежуточных реакций при синтезе какого-либо вещества.The term precursor refers to a chemical substance, an initial component, or a participant in intermediate reactions during the synthesis of a substance.

В качестве электродов топливных элементов могут быть использованы стандартные пластины кремния, например пластины марки КДБ7,5 или КЭФ7,5, а также пористые кремниевые мембраны или слои пористого кремния.Standard electrodes of silicon can be used as fuel cell electrodes, for example, KDB7.5 or KEF7.5 brand plates, as well as porous silicon membranes or layers of porous silicon.

В качестве растворов платиносодержащих прекурсоров можно использовать раствор гексахлорплатината аммония.As solutions of platinum-containing precursors, a solution of ammonium hexachloroplatinate can be used.

Оптимальным для настоящей совокупности признаков является получение праймера из растворов золотосодержащих прекурсоров методом химического осаждения.Optimal for the present set of features is to obtain a primer from solutions of gold-containing precursors by chemical deposition.

Для повышения надежности электродов топливных элементов после формирования металлического праймера проводят фотонный отжиг.To increase the reliability of the electrodes of the fuel cells after the formation of the metal primer, photon annealing is performed.

В водородно-кислородных топливных элементах, в независимости от вида применяемого протонного проводника скорость катодного процесса определяет величину напряжения разомкнутой цепи полуячейки топливного элемента (Uo). Большему значению Uo, при прочих равных условиях, соответствует более высокая скорость катодной реакции на катализаторе и, следовательно, большая эффективность электрода. Теоретически при комнатной температуре величина Uo может достигать значения 1,23 B. Практически максимальные значения Uo находятся в пределах 0,75-0,95 B.In hydrogen-oxygen fuel cells, regardless of the type of proton conductor used, the speed of the cathodic process determines the magnitude of the open circuit voltage of the half cell of the fuel cell (U o ). All other things being equal, the higher U o value corresponds to a higher cathodic reaction rate on the catalyst and, consequently, greater electrode efficiency. Theoretically, at room temperature, the value of U o can reach a value of 1.23 B. Almost the maximum values of U o are in the range of 0.75-0.95 B.

Наибольшая электрокаталитическая активность электрода, характеризуемая наибольшей величиной (Uo), достигается оптимальным выбором мощности и времени фотонного отжига. При этом, увеличение мощности соответствует уменьшению времени фотонного отжига.The highest electrocatalytic activity of the electrode, characterized by the largest value (U o ), is achieved by the optimal choice of power and time of photon annealing. Moreover, an increase in power corresponds to a decrease in the time of photon annealing.

Техническим результатом изобретения является увеличенная эффективность электродов топливных элементов, характеризуемая высокой скоростью катодной реакции на электродах, характеризуемой высокими значениями напряжения разомкнутой цепи полуячейки топливного элемента 0,82 B≤Uo≥0,95 B. Кроме того, применение фотонного отжига позволяет уменьшить температурное воздействие на структуру катализатора и, тем самым, уменьшить вероятность укрупнения размеров кластеров платины, которое приводит к увеличению эффективной поверхности электрокаталитической платины, что в конечном итоге увеличивает эффективность электродов.The technical result of the invention is the increased efficiency of the fuel cell electrodes, characterized by a high cathodic reaction rate on the electrodes, characterized by high values of the open cell voltage of the half cell of the fuel cell 0.82 B≤U o ≥0.95 B. In addition, the use of photon annealing allows to reduce the temperature effect on the structure of the catalyst and, thereby, reduce the likelihood of enlarging the size of platinum clusters, which leads to an increase in the effective surface of the electrocatal platinum, which ultimately increases the efficiency of the electrodes.

На чертеже представлен график зависимости величины напряжения разомкнутой цепи Uo от времени работы полуячейки топливного элемента.The drawing shows a graph of the dependence of the voltage of the open circuit U o from the operating time of the half-cell of the fuel cell.

Использованные методики.Used techniques.

Для формирования праймера берут золотосодержащий прекурсор, который представляет собой смесь раствора А и раствора Б в объемном отношении 1:24, которые приготавливаются по следующей рецептуре.To form the primer, a gold-containing precursor is taken, which is a mixture of solution A and solution B in a volume ratio of 1:24, which are prepared according to the following recipe.

Раствор А готовится из расчета: на 100 мл «царской водки», концентрированной азотной кислоты и концентрированной соляной кислоты (в объемном отношении 1:3), добавляются 0,240 г чистого металлического золота. Раствор нагревается примерно до 80°C и выдерживается до окончательного растворения золота. Далее раствор охлаждается до комнатной температуры.Solution A is prepared on the basis of: per 100 ml of aqua regia, concentrated nitric acid and concentrated hydrochloric acid (in a volume ratio of 1: 3), 0.240 g of pure metallic gold is added. The solution is heated to about 80 ° C and held until the final dissolution of gold. Then the solution is cooled to room temperature.

Раствор Б приготавливается следующим образом: к 250 мл дистиллированной воды добавить 13 г фтористого аммония, перемешать и после полного растворения прилить 20 мл концентрированной соляной кислоты.Solution B is prepared as follows: add 250 g of ammonium fluoride to 250 ml of distilled water, mix and pour 20 ml of concentrated hydrochloric acid after complete dissolution.

Сравнительная оценка эффективности осуществляют путем измерения напряжения разомкнутой цепи Uo в полуячейке топливного элемента. Полуячейка топливного элемента входит в состав стандартной двухэлектродной электрохимической ячейки с разделенными пространствами рабочего электрода и электрода сравнения. В качестве электрода сравнения используют стандартный водородный электрод (СВЭ). Измерения напряжения Uo проводят при комнатной температуре, в 1М растворе H2SO4, который используют в качестве электролита. Измерения проводят в устоявшемся режиме, который наступает по истечении 20-30 минут.A comparative assessment of the effectiveness is carried out by measuring the open circuit voltage U o in the half cell of the fuel cell. The half cell of the fuel cell is part of a standard two-electrode electrochemical cell with separated spaces of the working electrode and the reference electrode. As a reference electrode, a standard hydrogen electrode (SHE) is used. Measurements of the voltage U o are carried out at room temperature, in a 1M solution of H 2 SO 4 , which is used as an electrolyte. Measurements are carried out in the established mode, which occurs after 20-30 minutes.

Фотонный отжиг осуществляют на установке с максимальной мощностью облучения 45 Вт·см-2.Photon annealing is carried out at a facility with a maximum irradiation power of 45 W cm -2 .

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не исчерпывают предлагаемое изобретение.The following examples confirm, but do not exhaust, the invention.

Пример 1.Example 1

Стандартные кремниевые пластины марки КДБ7,5 помещают в раствор золотосодержащего праймера (раствор состава: А:В=1:24) на 10-15 минут. После извлечения пластин из раствора и сушки на воздухе при температуре, не превышающей 80°C, на поверхность наносят платиносодержащий прекурсор состава: 0,5 мл водного раствора (NH4)2PtCl6 (3 г платины на литр раствора) и 3,5 мл изопропилового спирта. Образец высушивают на воздухе при комнатной температуре. Для полного химического восстановления платины и формирования наноразмерных частичек катализатора проводят фотонный отжиг при мощности 27 Вт·см-2 и времени отжига 39 сек. Эффективность катодного электрода, характеризовалась величиной напряжения Uo=0,855 вольт:KDB7.5 standard silicon wafers are placed in a gold-containing primer solution (composition solution: A: B = 1: 24) for 10-15 minutes. After removing the plates from the solution and drying in air at a temperature not exceeding 80 ° C, a platinum-containing precursor of the composition is applied to the surface: 0.5 ml of an aqueous solution of (NH 4 ) 2 PtCl 6 (3 g of platinum per liter of solution) and 3.5 ml of isopropyl alcohol. The sample is dried in air at room temperature. For complete chemical reduction of platinum and the formation of nanosized catalyst particles, photon annealing is carried out at a power of 27 W cm -2 and annealing time of 39 sec. The efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.855 volts:

- при мощности 27 Вт·см-2 и времени отжига 42-45 сек эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,83 вольт;- at a power of 27 W cm -2 and annealing time of 42-45 sec, the efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.83 volts;

- при мощности 27 Вт·см-2 и времени отжига 37-38 сек эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,82 вольт.- at a power of 27 W cm -2 and annealing time of 37-38 sec, the efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.82 volts.

Таким образом, наивысшая эффективность электрода получена при мощности фотонного отжига 27 Вт·см-2 и времени отжига 39-41 сек.Thus, the highest electrode efficiency was obtained with a photon annealing power of 27 W cm -2 and an annealing time of 39-41 sec.

Пример 2.Example 2

То же, что в примере 1, только в качестве материала электродов были использованы пористые пленки на кремнии, а фотонный отжиг проводили при мощности 37 Вт·см-2 и времени отжига 7-9 сек. Эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,86 вольт:The same as in example 1, only porous films on silicon were used as the electrode material, and photon annealing was carried out at a power of 37 W cm –2 and annealing time of 7–9 sec. The efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.86 volts:

- при мощности 37 Вт·см-2 и времени отжига 4-6 сек эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,69 вольт;- at a power of 37 W · cm -2 and annealing time of 4-6 seconds, the efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.69 volts;

- при мощности 37 Вт·см-2 и времени отжига 10-12 сек эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,82 вольт.- at a power of 37 W · cm -2 and annealing time of 10-12 sec, the efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.82 volts.

Таким образом, наивысшая эффективность электрода получена при мощности фотонного отжига 37 Вт·см-2 и времени отжига 7-9 сек.Thus, the highest electrode efficiency was obtained with a photon annealing power of 37 W cm –2 and annealing time of 7–9 sec.

Пример 3.Example 3

То же, что в примере 1, только в качестве материала электродов были использованы электроды из пористых мембран, а фотонный отжиг проводили при мощности 36 Вт·см-2 и времени отжига 8-9 сек. Эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,89 вольт:The same as in example 1, only electrodes from porous membranes were used as the electrode material, and photon annealing was performed at a power of 36 W cm –2 and annealing time of 8–9 sec. The efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.89 volts:

- при мощности 37 Вт·см-2 и времени отжига 6-7 сек эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,84 вольт;- at a power of 37 W · cm -2 and annealing time of 6-7 sec, the efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.84 volts;

- при мощности 37 Вт·см-2 и времени отжига 11-12 сек эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,845 вольт.- at a power of 37 W · cm -2 and annealing time of 11-12 sec, the efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.845 volts.

Таким образом, наивысшая эффективность электрода получена при мощности фотонного отжига 37 Вт·см-2 и времени отжига 8-9 сек.Thus, the highest electrode efficiency was obtained with a photon annealing power of 37 W cm –2 and an annealing time of 8–9 sec.

Пример 4. То же, что в примере 1, только в качестве платиносодержащего прекурсора был использован состав 0,5 мл водного раствора гексохлорплатиновой кислоты H2PtCl6 (3 г платины на литр раствора) и 3,5 мл этилового спирта. Эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,92 вольта.Example 4. The same as in example 1, only as a platinum-containing precursor was used the composition of 0.5 ml of an aqueous solution of hexochloroplatinic acid H 2 PtCl 6 (3 g of platinum per liter of solution) and 3.5 ml of ethyl alcohol. The efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.92 volts.

Пример 5. То же, что в примере 2, только после сушки праймера на воздухе, осуществляют фотонный отжиг электродов. При мощности 27-37 Вт·см-2 и времени 6-10 сек каталитическая эффективность электродов определяется последующими режимами формирования катализатора. Так при проведении фотонного отжига при мощности 37 Вт·см-2 и времени отжига 7 сек эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,86 вольт.Example 5. The same as in example 2, only after drying the primer in air, carry out photon annealing of the electrodes. At a power of 27-37 W cm -2 and a time of 6-10 sec, the catalytic efficiency of the electrodes is determined by the subsequent modes of catalyst formation. So when conducting photon annealing at a power of 37 W · cm -2 and annealing time of 7 seconds, the efficiency of the cathode electrode was characterized by the voltage U o = 0.86 volts.

Надежность электродов топливных элементов после формирования металлического праймера с применением фотонного отжига подтверждается устойчивостью значений Uo в течение длительного времени работы электродов в условиях агрессивной среды (0,5-1M растворе H2SO4), что показано на графике зависимости величины Uo от времени работы полуячейки топливного элемента (кривая 2 на чертеже) при указанных выше параметрах. Для сравнения на кривой 1 на чертеже показано резкое уменьшение величины Uo, характерное для пористых кремниевых электродов, без предложенной обработки праймером.The reliability of the fuel cell electrodes after the formation of the metal primer using photon annealing is confirmed by the stability of the values of U o for a long time of operation of the electrodes in an aggressive environment (0.5-1M solution of H 2 SO 4 ), which is shown in the graph of the dependence of the value of U o on time the operation of the half-cell of the fuel cell (curve 2 in the drawing) with the above parameters. For comparison, curve 1 in the drawing shows a sharp decrease in the value of U o characteristic of porous silicon electrodes, without the proposed primer treatment.

Пример 6. Для сравнения было проведено изготовление электродов по способу-прототипу. Эффективность катодного электрода характеризовалась величиной напряжения Uo=0,79 вольта.Example 6. For comparison, the manufacture of electrodes was carried out according to the prototype method. The efficiency of the cathode electrode was characterized by a voltage value U o = 0.79 volts.

Как видно из приведенных примеров предлагаемый способ обеспечивает простоту изготовления электродов топливных элементов, обладающих высокой эффективностью.As can be seen from the above examples, the proposed method provides ease of manufacture of electrodes of fuel cells with high efficiency.

Claims (5)

1. Способ изготовления электродов топливных элементов на основе кремния с нанесенными на их поверхность нанокатализаторами, включающий формирование на поверхности электродов металлического праймера, нанесение на него растворов платиносодержащих прекурсоров и их последующее термическое разложение, отличающийся тем, что термическое разложение осуществляют фотонным отжигом.1. A method of manufacturing electrodes of fuel cells based on silicon with nanocatalysts deposited on their surface, comprising forming a metal primer on the surface of the electrodes, applying platinum-containing precursors to it and their subsequent thermal decomposition, characterized in that the thermal decomposition is carried out by photon annealing. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электродов топливных элементов используют пластины кремния, пористые мембраны или слои пористого кремния.2. The method according to claim 1, characterized in that as the electrodes of the fuel cells using silicon wafers, porous membranes or layers of porous silicon. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растворов платиносодержащих прекурсоров используют растворы гексахлорплатината аммония.3. The method according to claim 1, characterized in that as solutions of platinum-containing precursors use solutions of ammonium hexachloroplatinate. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлический праймер формируют из растворов золотосодержащего соединения методом химического осаждения.4. The method according to claim 1, characterized in that the metal primer is formed from solutions of a gold-containing compound by chemical deposition. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для повышения надежности электродов топливных элементов после формирования металлического праймера проводят фотонный отжиг. 5. The method according to claim 4, characterized in that to increase the reliability of the electrodes of the fuel cells after the formation of the metal primer conduct photon annealing.
RU2010119817/07A 2010-05-19 2010-05-19 Method of making silicion-based electrodes of fuel cells coated with nano-catalysts RU2422950C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010119817/07A RU2422950C1 (en) 2010-05-19 2010-05-19 Method of making silicion-based electrodes of fuel cells coated with nano-catalysts

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010119817/07A RU2422950C1 (en) 2010-05-19 2010-05-19 Method of making silicion-based electrodes of fuel cells coated with nano-catalysts

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2422950C1 true RU2422950C1 (en) 2011-06-27

Family

ID=44739422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010119817/07A RU2422950C1 (en) 2010-05-19 2010-05-19 Method of making silicion-based electrodes of fuel cells coated with nano-catalysts

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2422950C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kang et al. Thin film surface modifications of thin/tunable liquid/gas diffusion layers for high-efficiency proton exchange membrane electrolyzer cells
US10738387B2 (en) Electrochemical cell containing a graphene coated electrode
KR100774746B1 (en) Method for the preparation of highly dispersed supported pt catalyst using complex reducing agent
JP2008503869A (en) Catalyst support for electrochemical fuel cells
JPWO2007119640A1 (en) Fuel cell electrode catalyst and method for producing the same
EP1905113A1 (en) Electrode catalyst with improved longevity properties and fuel cell using the same
US7557057B2 (en) Method for preparation of highly dispersed supported platinum catalyst
JP2009501415A (en) Methanol fuel cell
Ohgi et al. Catalytic activity of partially oxidized transition-metal carbide–nitride for oxygen reduction reaction in sulfuric acid
US7931998B2 (en) Catalyst for fuel cell and fuel cell comprising the same
Hjelm et al. Sodium borohydride oxidation on Pt and/or Pd-based electrodes in hydrogen peroxide direct borohydride fuel cells (H2O2-DBFCs)
JP5830149B2 (en) Nitrate reduction method, nitrate reduction catalyst, nitrate reduction electrode, fuel cell, and water treatment apparatus
JP2021504116A (en) Method for producing a gas-nitrided or liquid-nitrided core-shell catalyst
RU2467798C1 (en) Method of producing catalyst on carbon support
CN108677209B (en) Ordered membrane electrode for solid polymer water electrolyzer and preparation method thereof
RU2422950C1 (en) Method of making silicion-based electrodes of fuel cells coated with nano-catalysts
JP6217754B2 (en) Fuel cell electrode catalyst, method for producing the same, and membrane electrode assembly using the fuel cell electrode catalyst
KR101594233B1 (en) Catalyst material for fuel cell
US7825057B2 (en) Method for preparing the mixed electrode catalyst materials for a PEM fuel cell
CN101425581B (en) Method for preparing double effect oxygen electrode catalyst
JP7137013B2 (en) Catalyst Systems, Electrodes, and Fuel Cells or Electrolysers
JP5638078B2 (en) Method for depositing metal on a porous carbon layer
KR20230032250A (en) Catalyst for fuel cell, method of preparing thereof and fuel cell comprising the same
CN112166514A (en) Catalyst system, electrode and fuel cell or electrolyser
JP2003272641A (en) Anode catalyst for fuel cell