ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
Results of the work on the synthesis of highly effective nanocomposite platinum-containing oxygen reduction electrocatalysts for hydrogen-oxygen fuel cells are presented and ways of increasing their activity are considered. Fuel cells (FCs) represent the most promising renewable and environmentally...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2020
|
| Online Zugang: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/196 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871465484131500032 |
|---|---|
| author | Pirskyy, Yuriy Manilevich, Fedor Panchyshyn, Taras Kolosovskiy, Yaroslav Orina, Alabut |
| author_facet | Pirskyy, Yuriy Manilevich, Fedor Panchyshyn, Taras Kolosovskiy, Yaroslav Orina, Alabut |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Yuriy Pirskyy",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Fedor Manilevich",
"institution": "Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Taras Panchyshyn",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Yaroslav Kolosovskiy",
"institution": "Nacional'nij tehnicnij universitet Ukraini Kiivs'kij politehnicnij institut imeni Igora Sikors'kogo, ПрАТ \"ЕЛМІЗ\""
},
{
"author": "Alabut Orina",
"institution": "National Technical University of Ukraine \"KPI\""
}
] |
| author_sort | Pirskyy, Yuriy |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:43Z |
| description | Results of the work on the synthesis of highly effective nanocomposite platinum-containing oxygen reduction electrocatalysts for hydrogen-oxygen fuel cells are presented and ways of increasing their activity are considered. Fuel cells (FCs) represent the most promising renewable and environmentally friendly energy sources that can operate at low temperatures with high efficiency and with low or zero levels of hazardous waste. The main problem of fuel cells is that the oxygen reduction reaction is slowed down in relation to the hydrogen oxidation reaction, which leads to an increase in the overvoltage at the cathode and, as a result, to a decrease in the productivity of FCs. To solve this problem, the new methods are being developed for the synthesis of highly efficient platinum electrocatalysts, which currently have the best performance, since platinum has the highest specific catalytic activity among other materials used in low temperature FCs. The purpose of this work is to determine the optimal composition of reaction mixture and conditions for the preparation of a platinum based catalyst for oxygen electroreduction where Vulcan XC-72 nanodispersed carbon black is used as a carrier. We have worked out 6 methods for preparing Pt  (40 %)/XC-72 catalysts. To evaluate the activity of the prepared catalysts and to determine the kinetic parameters of the oxygen reduction on them, cathodic stationary polarization curves were recorded in a 0.5 M H2SO4 solution on a floating gas diffusion electrode superficially modified by the catalysts. For preparation of all electrocatalysts we are used 3.6 ml of a hexachloroplatinic acid (H2PtCl6) solution, containing 18.8 mg Pt/ml, 100 ml of ethylene glycol or its mixture with deionized water (3 : 1) and 100 mg of Vulcan XC-72 carbon black, previously oxidized in HNO3 solution. 1 M NaOH or KOH solutions were used to create the necessary medium (pH = 11). Some Pt(40 %)/XC-72 electrocatalysts were prepared when additions of polyvinylpyrrolidone (PVP) (100 mg or 300 mg) and/or 60 ml of formaldehyde were introduced into reaction mixture. Temperature during syntheses was in the range 75 - 160 °C. It was shown that reducing the synthesis temperature from 160 to 75 °C and introduction of PVP together with formaldehyde into reaction mixture had a positive effect on the activity of obtained nanocomposite platinum-containing catalysts Pt(40 %)/XC-72 for oxygen electroreduction.The sizes of the obtained platinum clusters on the surface of carbon black nanoparticles were in the range of 1.7 - 5.7 nm, and under optimal synthesis conditions they were evenly and densely distributed on the surface of the carbon carrier. The obtained kinetic characteristics of oxygen electroreduction on the studied catalysts indicate that the mechanism of this process depended on both the current density and the method of catalyst synthesis. |
| doi_str_mv | 10.33609/2708-129X.86.7.2020.53-64 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:43:27Z |
| format | Article |
| fulltext |
53
ВСТУП. Серед різних систем генера-
ції електроенергії паливні елементи (ПЕ)
є найбільш перспективними і екологічно
безпечними. Вони можуть працювати з ви-
сокою ефективністю за різних температур,
утворюючи низьку або нульову кількість
шкідливих відходів. Дослідження, проведе-
ні у світі впродовж останніх двадцяти ро-
ків, дозволили створити прототипи ПЕ із
вражаючими характеристиками [1].
Основною проблемою, яка стримує ши-
роке використання паливних елементів, є
сповільненість реакції відновлення кисню
по відношенню до супутньої реакції окис-
лення водню, що зумовлює високу перена-
пругу на катоді і, як наслідок, недостатню
Представлено результати робіт із синтезу високоефективних нанокомпозиційних платино-
вмісних каталізаторів Pt(40 %)/XC-72 електровідновлення кисню поліол-методом для водне-
во-кисневих паливних елементів та розглянуто шляхи підвищення їхньої активності. Показано,
що зниження температури від 160 до 75 °С і використання полівінілпіролідону (ПВП) та форм
альдегіду підвищують електрокаталітичні характеристики одержуваних матеріалів. Проведені
фізико-хімічні дослідження показали, що використання під час синтезу каталізаторів ПВП у
кількості 110–330 мг/100 мл етиленгліколю сприяє утворенню наночастинок платини розміром
1.7–5.7 нм із рівномірним розподілом їх по поверхні вуглецевого носія, що позитивно впливає
на каталітичну активність одержуваних матеріалів. За допомогою плаваючого газодифузійного
електрода та методу стаціонарних поляризаційних кривих досліджено кінетику електрохіміч-
ного відновлення кисню на синтезованих каталізаторах. Отримані кінетичні характеристики
електровідновлення кисню на досліджених каталізаторах свідчать, що механізм цього процесу
залежить як від густини струму, так і від методу синтезу каталізаторів.
Ключові слова: нанорозмірні платинові каталізатори, електровідновлення кисню, паливний
елемент.
УДК 544.6:544.653.3 doi: 10.33609/2708-129X.86.7.2020.53-64
ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ
ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ
ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
Ю. К. Пірський1*, Ф. Д. Манілевич1, Т. М. Панчишин1, Я. В. Колосовський2,
О. Г. Алабут3
1 Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України, просп. Акаде
міка Палладіна, 32/34, Київ, 03142, Україна
*е-mail: pirsky@ionc.kiev.ua
2 Приватне акціонерне товариство «ЕЛМІЗ», вул. Бориспільська, 9, Київ, 02099, Україна
3 Національний технічний університет України «КПІ ім. І. Сікорського», просп. Перемоги, 37,
корп. 4, ХТФ, Київ, 03056, Україна
ФІЗИЧНА ХІМІЯ ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ
ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
54 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2020
продуктивність ПЕ. Для вирішення цієї
проблеми необхідні нові ефективні каталі-
затори електровідновлення кисню, які бу-
дуть відповідати суворим вимогам підви-
щення продуктивності. Вони повинні бути
дуже довговічними і придатними для ви-
робництва у великих обсягах із високими
виходами і винятковою якістю. Таким ви-
могам відповідають платинові електроката
лізатори, які на сьогодні мають кращі по-
казники серед інших каталізаторів, що за-
стосовуються в низькотемпературних ПЕ.
Проведені дослідження показали, що ха-
рактеристики платинових електрокаталіза-
торів залежать від методів та умов їхнього
отримання [2–4]. Відомо, що активність ка-
талізаторів може бути підвищена шляхом
досягнення рівномірного розподілу нано-
розмірних активних частинок Pt і високого
завантаження їх на вуглецевий носій з роз-
виненою поверхнею [5–7].
На сьогодні розроблено різні методи
отримання платинових каталізаторів, такі
як відновлення платини боргідридом [8] і
мікроемульсією [9], поліол-синтез [10–11],
електрохімічний [12–13] і колоїдний [14–15]
методи, фотовідновлення [16–17]. Однак
більшість відомих методів не забезпечує
отримання високодисперсних наночасти-
нок Pt, щільно завантажених на поверхню
носія [18]. Тому вдосконалення існуючих і
розвиток нових методів отримання таких
каталізаторів тривають.
Виконаний в роботі [19] синтез нано-
частинок платини на сажі з використанням
полівінілпіролідону (ПВП) як компонента,
який стабілізує частинки платини, пока-
зав, що таким чином можна отримувати
однорідні за розміром нанорозмірні час-
тинки Pt, аналогічні тим, які формуються
в колоїдних розчинах без присутності на-
нодисперсної сажі. Електрохімічні харак-
теристики відновлення кисню на таких
каталізаторах були набагато вищими за ха-
рактеристики, досягнуті при застосуванні
каталізаторів, синтезованих без додавання
ПВП. Однак використання під час синтезу
високих концентрацій ПВП може призве-
сти до зниження активної поверхні ката-
лізаторів, що пов’язано з блокуючим ефек-
том полімерів ПВП на активні центри ката-
лізаторів. Стабілізатор ПВП після синтезу
залишається на поверхні готового каталі-
затора і перешкоджає доступу окислювача
до його активних місць. За масового спів-
відношення ПВП : Pt = 0.1 питома активна
площа каталізатора є високою і залишаєть-
ся такою при завантаженні Pt > 35 мас.%.
Метою цієї роботи було визначення
оптимального складу розчину і умов від-
новлення платини в присутності ПВП для
приготування високоактивних платино-
вих каталізаторів електровідновлення кис-
ню, в яких носієм є нанодисперсна сажа
Vulcan ХС-72.
ЕКСПЕРИМЕНТ І ОБГОВОРЕННЯ РЕ
ЗУЛЬТАТІВ. Для приготування Pt-вмісно-
го розчину та синтезу каталізаторів вико-
ристовували гексахлорплатинову кислоту
H2PtCl6, сажу Vulcan XC-72, яку попередньо
піддавали окисленню в розчині HNO3,
1 М-розчини NaOH або KOH та H2SO4 для
створення необхідного рН середовища,
етиленгліколь (ЕГ) у різному співвідно-
шенні з деіонізованою водою та етиловий
спирт. Як стабілізатори частинок платини
було випробувано добавки ПВП і форм
альдегіду (CH2O).
Було опрацьовано 6 методик приготу-
вання Pt/C каталізаторів, у результаті засто-
УХЖ № 7 / Том 86Ю. К. Пірський, Ф. Д. Манілевич, Т. М. Панчишин, Я. В. Колосовський, О. Г. Алабут
55https://ucj.org.ua
сування яких було одержано 6 груп ката-
лізаторів (позначення і умови синтезу див.
в табл. 1). Приготування каталізаторів А і
В проводили наступним чином: до 3.6 мл
розчину гексахлороплатинової кислоти, що
містив 18.8 мг Pt/мл, додавали 100 мл ети-
ленгліколю або його суміші з деіонізованою
водою (3 : 1) і диспергували в ультразвуко-
вій ванні упродовж 30 хв. Для синтезу ката-
лізаторів C і D у реакційну суміш додавали
110 або 330 мг ПВП, а для синтезу каталіза-
тора Е додатково використали 60 мл фор-
мальдегіду. При отриманні каталізатора F
реакційна суміш містила формальдегід, од-
нак не містила ПВП. Потім у всі розчини до-
давали 100 мг окисленої сажі Vulcan ХС-72,
перемішували магнітною мішалкою упро-
довж 10 хв, після чого диспергували в уль-
тразвуковій ванні упродовж 1 год. Отрима-
ну дисперсію нейтралізували 1 М розчином
NaOH і доводили її pH до 11 за безперерв-
ного перемішування. Отриману суміш на-
грівали на водяній бані упродовж 3 год. зі
зворотним холодильником за безперервно-
го перемішування. При отриманні каталіза-
тора F після охолодження суміші проводи-
ли промивку осаду водою і центрифугуван-
ня, а при отриманні всіх інших каталізато-
рів доводили рН суміші до 2, додаючи 1 М
розчин H2SO4, і ретельно перемішували су-
міш. Потім додавали до сумішей етиловий
спирт у розрахованих кількостях і давали
їм відстоятися упродовж 1 год. Після цього
відділяли осади від розчину на центрифузі
і кілька разів ретельно промивали їх етило-
вим спиртом і деіонізованою водою. Надалі
осади висушували, після чого розтирали в
яшмовій ступці.
Таблиця 1.
Позначення отриманих електрокаталізаторів Pt(40 %)/ХС-72 та умови їхнього синтезу
Каталізатор ЕГ добавка, мл Температура
синтезу, °С
Використаний
луг Добавки
А 100 ЕГ 130 1 М NaOH –
В 100 ЕГ 160 1 М NaOH –
C 100 ЕГ + 30 H2O 140 1 М NaOH 110 мг ПВП
D 100 ЕГ + 30 H2O 140 1 М NaOH 330 мг ПВП
Е 100 ЕГ 75 1 M KOH 330 мг ПВП +
60 мл CH2O
F 100 ЕГ 75 1 M KOH 60 мл CH2O
Рентгенофазовий аналіз катодних ката-
лізаторів виконали за допомогою рентгенів-
ського дифрактометра ДРОН-3М. Вимірю-
вання проводили у Cu Kα- випромінюванні,
за напруги 30 кВ і струму 20 мА при кроці
сканування Δ2θ = 0.04, τ = 3 с. При зйом-
ці використовували графітовий плоский
монохроматор. Кутове положення дифрак-
ційних максимумів уточнено за допомогою
методу найменших квадратів за повнопро-
фільними експериментальними даними ра-
зом із лінією фону, при цьому профіль ліній
апроксимували згортанням функцій Гаусса
і Лоренца. Оброблення масиву експери-
ментальних даних здійснювали за допо-
могою програми PROFILE FITTING V. 4.0.
Якісний фазовий аналіз зразків проводи-
ли з використанням автоматизованої бази
ФІЗИЧНА ХІМІЯ ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ
ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
56 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2020
даних ICDD PDF-2, а аналіз фазового скла-
ду – шляхом порівняння з даними електро-
нної бази даних STOE WinXPOW.
Для вивчення морфології каталізато-
рів застосовували методи просвічуючої
та скануючої електронних мікроскопій.
ПЕМ-зображення досліджуваних зразків
отримували на растровому електронному
мікроскопі «Leo Supra 50 VP6» за приско-
рюючої напруги 5 кВ. СЕМ-зображення от-
римували за допомогою скануючого елек-
тронного мікроскопа «JSM-6700F» («JEOL»,
Японія). Зйомку проводили за прискорюю-
чої напруги 15 кВ, струму зонду 0.75·10-10 А
і діаметра зонду 1 мкм.
Каталітичну активність одержаних
нанокомпозитів у реакції катодного від-
новлення кисню досліджували шляхом
отримання потенціостатичних поляриза-
ційних кривих на поверхнево модифікова-
ному плаваючому газодифузійному елект
роді [20] в 0.5 М розчині H2SO4 за темпера-
тури 20 °С. Застосували електрохімічну ко-
мірку з розділеними катодним та анодним
просторами і потенціостат «ПІ-50-1.1».
Струм реєстрували за допомогою мульти-
метра «UNI-T UT-71». Електродом порів-
няння служив хлоридсрібний електрод.
Плаваючий газодифузійний електрод
(ПГЕ) мав вигляд таблетки, виготовленої
із сажі П-803, гідрофобізованої 30 % до-
бавкою політетрафторетилену, шляхом
пресування під тиском 2.45 МПа. ПГЕ мав
масу 200 мг, діаметр 10 мм, товщину 2 мм
та удавану щільність 0.95 г/см3. У таблетку
було впресовано нікелевий струмовідвід.
На поверхню електрода наносили моношар
нанодисперсних досліджуваних каталіза-
торів кількістю не більше 1 мг/см2 і напре-
совували під тиском 4.9 МПа. На електро-
провідній пористій підкладці каталізатор
утримувався за рахунок сил адгезії. Моно-
шарове покриття каталізатором поверхні
ПГЕ забезпечувало рівнодоступність кис-
ню до зовнішньої поверхні зерен каталіза-
тора [21].
Рис. 1. Мікрофотографії платиновмісних
каталізаторів Pt(40 %)/XC-72: а – СЕМ-зобра
ження, б – ПЕМ-зображення.
Мікрофотографії синтезованих каталіза-
торів Pt(40 %)/XC-72, отримані за допомо-
гою скануючого та просвічуючого електро-
нних мікроскопів, представлено на рис. 1.
УХЖ № 7 / Том 86Ю. К. Пірський, Ф. Д. Манілевич, Т. М. Панчишин, Я. В. Колосовський, О. Г. Алабут
57https://ucj.org.ua
Видно, що отримані каталізатори нано-
дисперсні, розміри їхніх частинок не пере-
вищують 100 нм. Згідно СЕМ-зображення,
частинки Pt(40 %)/XC-72 доволі однорідні
за розмірами, однак при зсипанні докупи
агломеруються. Упродовж приготування
каталітичного чорнила агломерати під дією
ультразвуку розділяються на частинки з
розмірами від 20 до 50 нм. Із ПЕМ-зобра-
ження видно, що кластери платини розмі-
ром 2–5 нм знаходяться на поверхні агло-
мерованих частинок сажі, які мають розмір
до 50 нм.
За результатами рентгенофазового ана-
лізу з використанням бази даних ICDD
PDF-2 по набору 5 основних піків на диф-
рактограмі було визначено фази в синтезо-
ваних каталізаторах Pt(40 %)/XC-72.
Рис. 2. Дифрактограма нанокомпозитів
Pt(40 %)/XC-72.
Піки на дифрактограмі, наведеній на
рис. 2, відповідають фазі металевої плати-
ни і мають розширення внизу, що свідчить
про нанорозмірність платинових класте-
рів. За величиною цього розширення було
визначено розміри нанокластерів пла-
тини на вуглецевому носії Vulcan ХС-72
вздовж кристалографічних напрямків
<111; 200; 220; 311; 222>. Розрахунок розмі-
ру кластерів виконали за рівнянням Шер-
рера:
d = K · λ / β · cosθ, (1)
де K – константа Шеррера, значення якої
залежить від форми частинок і від індек-
сів дифракцій (у цьому випадку K = 0.97);
λ – довжина хвилі рентгенівського випро-
мінення і у цьому випадку λ = 0.154184 нм;
β – ширина рефлексу на половині висоти,
рад; θ – кут дифракції (брегівський кут),
рад. Отримані розміри нанокластерів пла-
тини на поверхні вуглецевого норсія скла-
ли 5.5, 4.3, 3.7, 2.1 та 1.7 нм, тобто вони зна-
ходилися в діапазоні 1.7–5.5 нм.
Для оцінки активності синтезованих
каталізаторів в електровідновленні кисню
на плаваючому газодиффузійному елек-
троді були зняті потенціостатичні катодні
поляризаційні криві цього процесу в 0.5 М
розчині H2SO4. На рис. 3 отримані поляри-
заційні криві представлені в тафелевих ко-
ординатах.
Порівняння кривих на рис. 3а та 3б свід-
чить, що поверхнева модифікація ПГЕ до-
слідженими композиційними нанокаталі-
заторами Pt(40 %)/XC-72 призвела до знач-
ного зміщення потенціалів електровіднов-
лення кисню в сторону позитивних значень
(приблизно на 0.5 В), при цьому струми
електродного процесу зросли більш, ніж на
порядок. Розраховані кінетичні параметри
електровідновлення кисню в 0.5 М розчи-
ні H2SO4 на каталізаторах Pt(40 %)/XC-72,
синтезованих із застосуванням різних ме-
тодик, наведено в табл. 2.
ФІЗИЧНА ХІМІЯ ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ
ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
58 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2020
Рис. 3. Потенціостатичні поляризаційні криві
відновлення кисню в 0.5 М-розчині H2SO4
на немодифікованому ПГЕ (а) та на ПГЕ,
поверхнево модифікованому каталізаторами
Pt(40 %)/XC-72, (б): 1 – F; 2 – D; 3 – В; 4 – С;
5 – А; 6 – E.
Із порівняння кривих 5 і 3 на рис. 3б,
які було отримано при електровідновлен-
ні кисню, відповідно на каталізаторах А і
В, слідує, що каталізатор А є активнішим
за каталізатор В, оскільки, наприклад, за
потенціалу 0.71 В значення lgj на каталіза-
торі А на 0.34 більше, ніж на каталізаторі
В. Потенціали електровідновлення кисню
на каталізаторі А більше зміщені в сторо-
ну позитивних значень, ніж потенціали на
каталізаторі В. З табл. 1 видно, що синтез
каталізатора В проводили за температури,
на 30 °С вищої, ніж синтез каталізатора А.
Вочевидь, підвищення температури синте-
зу призвело до збільшення агломеруван-
ня частинок каталізатора, внаслідок чого
зменшилася площа їхньої активної поверх-
ні. Витримка каталізатора В після нагріван-
ня в кислому середовищі за рН = 2 упро-
довж 24 год. не підвищила його активність.
Таблиця 2.
Кінетичні параметри електровідновлення
кисню в 0.5 М розчині H2SO4 на ПГЕ,
поверхнево модифікованому
каталізаторами Pt(40 %)/XC-72
Каталі
затор Eст, В
∂Е/∂lgj, В
j0, A/гb1 b2
‒ 0.667 0.028 0.135 0.0153
А 0.725 0.032 0.110 0.0182
B 0.716 0.033 0.140 0.0164
C 0.700 0.045 0.121 0.0603
D 0.703 0.030 0.130 0.0141
E 0.725 0.028 0.120 0.0188
F 0.696 0.050 0.122 0.0216
Порівняння кривих 4 і 2 на рис. 3б, які
було отримано при електровідновленні
кисню на каталізаторах С і D, свідчить, що
збільшення кількості ПВП у розчині при
синтезі каталізаторів у 3 рази (див. табл. 1)
призвело до зниження їхньої активності.
Потенціали відновлення кисню на каталі-
заторі С більше зміщені в сторону позитив-
них значень, а струми електродного проце-
су за однакових потенціалів вищі, ніж на
каталізаторі D. Струм обміну на каталіза-
УХЖ № 7 / Том 86Ю. К. Пірський, Ф. Д. Манілевич, Т. М. Панчишин, Я. В. Колосовський, О. Г. Алабут
59https://ucj.org.ua
торі С перевищує струм обміну на каталі-
заторі D більше, ніж у 4 рази (див. табл. 2).
Вочевидь, поверхнево-активний ПВП не
повністю відмивається від синтезованих
каталізаторів і частково блокує їхні актив-
ні центри. Отже, слід уникати надмірної
кількості ПВП, який, як показано в [19],
стабілізує нанорозмірні частинки компо-
зиційних платинових каталізаторів під час
їхнього синтезу.
Для підвищення активності каталізато-
рів, які синтезували в розчині, що окрім
інших компонентів містив значну кількість
ПВП (330 мг), випробували добавку форм
альдегіду (60 мл), а також знизили темпера-
туру синтезу до 75 °С. Отриманий каталі-
затор Е проявив найвищу активність серед
інших досліджених каталізаторів електро-
відновлення кисню. Потенціали відновлен-
ня кисню на такому каталізаторі найбільше
зміщені в сторону позитивних значень, а
струми за фіксованих значень потенціалу
мають найвищі значення (див. рис. 3б). Ре-
зультати електронної мікроскопії показа-
ли, що кластери платини на поверхні ката-
лізатора Е мали найменший розмір і були
рівномірно розподілені по поверхні.
Введення добавки формальдегіду в роз-
чин, який не містив ПВП, призвело до зни-
ження активності отриманого каталізатора
(F в табл. 1 і 2). Поляризаційна крива елек-
тровідновлення кисню на такому каталіза-
торі найменше зміщена в сторону позитив-
них потенціалів від кривої, знятої на немо-
дифікованому ПГЕ (див. рис. 3).
Нахили перших прямолінійних ділянок
b1 кривих 2, 3, 5 і 6 на рис. 3б та кривої на
рис. 3а близькі до 30 мВ, що свідчить про
те, що лімітуюча стадія ймовірного меха-
нізму електродного процесу на відповідних
каталізаторах є чотирьохелектронною. Ку-
тові тафелеві коефіцієнти b1 кривих 1 і 4 на
рис. 3б становлять відповідно 50 і 45 мВ, що
свідчить про можливе протікання електро-
відновлення кисню на каталізаторах F і С за
змішаним механізмом із двох- та чотирьох
електронними лімітуючими стадіями.
Різні механізми відновлення кисню на
досліджених платиновмісних каталізаторах
можуть бути зумовлені різним адсорбцій-
ним станом кисню на поверхні кластерів
платини. Можливі варіанти хемосорбції
кисню на поверхні електрода схематично
представлено на рис. 4.
Рис. 4. Можливі моделі адсорбції кисню на
поверхні каталізатора: a – модель Гріффітса, б –
модель Паулінга, в – місткова модель [22].
При адсорбції обох атомів кисню, з
яких складається його молекула, (модель
Гріффітса і місткова модель рис. 4а і 4в)
відбувається розтягування зв’язку O-О, в
результаті чого полегшується розпад моле-
кули O2 і відбувається електровідновлення
кисню за механізмом із лімітуючою чоти-
рьохелектронною електрохімічною стадією
[22, 23, 24]. Багато дослідників вважають,
що на платиновому електроді мають місце
саме містковий і «гріффітсовський» типи
адсорбції [25].
Якщо поверхня електрода утворює зв’я-
зок лише з одним атомом кисню (модель
Паулінга рис. 4б), то зв’язок O-О майже не
змінюється. При цьому відновлення кисню,
ФІЗИЧНА ХІМІЯ ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ
ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
60 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2020
вочевидь, протікає через стадію утворення
пероксиду водню і швидкість електродного
процесу визначається швидкістю двоелект
ронної електрохімічної стадії.
На підставі розрахованих значень ку-
тових тафелевих коефіцієнтів b1 можна
зробити висновок, що електровідновлен-
ня кисню на газодифузійному електроді,
поверхнево модифікованому платиновими
каталізаторами Pt(40 %)/XC-72, є багато-
стадійним процесом, який включає стадії
адсорбції – десорбції, а також електрохіміч-
ні стадії відновлення кисню. На каталізато-
рах А, В, D і Е в області невисоких густин
струму, при яких виявлено перші прямолі-
нійні ділянки на кривих lgj – E, відновлення
кисню, вочевидь, відбувається в результаті
приєднання 4-х електронів до адсорбова-
них молекул кисню за реакцією:
O2(адс) + 4H+ + 4e- → 2H2O. (2)
На каталізаторах С і F реакція (2) напев-
но супроводжується реакцією:
О2(адс) + Н+ + 2е = НО2‒(адс), (3)
і швидкості цих реакцій мають близькі зна-
чення.
Зміна нахилу поляризаційних кривих
відновлення кисню на досліджених ката-
лізаторах у тафелевих координатах при
переході в область високих густин струму
зумовлена, вочевидь, зміною механізму
електродного процесу. Значення кутових
тафелевих коефіцієнтів b2 свідчать, що
швидкість електродного процесу визнача-
ється одноелектронною електрохімічною
стадією.
ВИСНОВКИ. Таким чином, на отримання
високоактивних нанокомпозиційних пла-
тиновмісних каталізаторів Pt(40 %)/XC-72
електровідновлення кисню поліол-методом
позитивно впливають зниження темпера-
тури синтезу від 160 °С до 75 °С і введення
в реакційне середовище ПВП разом із фор-
мальдегідом. Розміри отриманих кластерів
платини на поверхні наночастинок сажі
ХС-72 знаходяться в діапазоні 1.7–5.7 нм
і за оптимальних умов синтезу вони рів-
номірно і щільно розподілені по поверхні
вуглецевого носія, що сприяє високій ка-
талітичній активності одержуваних мате-
ріалів. Отримані кінетичні характеристики
електровідновлення кисню на досліджених
каталізаторах свідчать, що механізм цього
процесу залежить як від густини струму,
так і від методу синтезу каталізаторів.
ВЛИЯНИЕ ПОЛИВИНИЛПИРРОЛИДОНА
НА СИНТЕЗ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
ЭЛЕКТРОВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА
Ю. К. Пирский1*, Ф. Д. Манилевич1,
Т. Н. Панчишин1, Я. В. Колосовский2,
А. Г. Алабут3
1 Институт общей и неорганической хи
мии им. В. И. Вернадского НАН Украины,
просп. Академика Палладина, 32/34, Киев,
03142, Украина
*е-mail: pirsky@ionc.kiev.ua
2 Приватное акционерное общество
«ЭЛМИЗ», ул. Бориспольская, 9, Киев, 02099,
Украина
3 Национальный технический универси
тет Украины «КПИ им. И. Сикорского»
просп. Победы, 37, корп. 4, ХТФ, Киев, 03056,
Украина
УХЖ № 7 / Том 86Ю. К. Пірський, Ф. Д. Манілевич, Т. М. Панчишин, Я. В. Колосовський, О. Г. Алабут
61https://ucj.org.ua
Представлены результаты работ по син-
тезу высокоэффективных нанокомпози-
ционных платиносодержащих катализато-
ров Pt(40 %)/XC-72 электровосстановления
кислорода полиол-методом для водород-
но-кислородных топливных элементов и
рассмотрены пути повышения их актив-
ности. Показано, что снижение темпера-
туры от 160 до 75 °С и использование по-
ливинилпирролидона (ПВП) и формальде-
гида повышают электрокаталитические
характеристики получаемых материалов.
Проведенные физико-химические иссле-
дования показали, что использование при
синтезе катализаторов ПВП в количестве
110–330 мг/100 мл этиленгликоля способ-
ствует образованию наночастиц платины
размером 1.7–5.7 нм с равномерным их
распределением по поверхности углерод-
ного носителя, что положительно влияет
на каталитическую активность получае-
мых материалов. С помощью плавающего
газодиффузионного электрода и метода
стационарных поляризационных кривых
исследована кинетика электрохимичес-
кого восстановления кислорода на синте-
зированных катализаторах. Полученные
кинетические характеристики электровос-
становления кислорода на исследованных
катализаторах свидетельствуют, что меха-
низм этого процесса зависит как от плот-
ности тока, так и от метода синтеза катали-
заторов.
Ключевые слова: наноразмерные пла-
тиновые катализаторы, электровосстанов-
ление кислорода, топливный элемент.
EFFECT OF POLYVINYLPYRROLIDONE ON
THE SYNTHESIS AND CATALYTIC PROPERTIES
OF PLATINUM-CONTAINING OXYGEN
ELECTROREDUCTION CATALYSTS
Yu. K. Pirskyy1*, F. D. Manilevich1,
T. M. Panchishin1, Ya. V. Kolosovskiy2,
A. G. Alabut3
1 V. I. Vernadsky Institute of General and
Inorganic Chemistry of National Academy of
Sciences of Ukraine, 32/34 Aсademiс Palladin
Avenue, Kyiv, 03142, Ukraine
*е-mail: pirsky@ionc.kiev.ua
2 «ELMIZ» Private Joint Stock Company, 9,
Boryspilska str., Kyiv, 02099, Ukraine
3 National Technical University of Ukraine
“Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, 37,
Prosp. Peremohy, Kyiv, 03056, Ukraine
Results of the work on the synthesis of
highly effective nanocomposite platinum-con-
taining oxygen reduction electrocatalysts for
hydrogen-oxygen fuel cells are presented and
ways of increasing their activity are considered.
Fuel cells (FCs) represent the most promi
sing renewable and environmentally friendly
energy sources that can operate at low temper-
atures with high efficiency and with low or zero
levels of hazardous waste. The main problem of
fuel cells is that the oxygen reduction reaction
is slowed down in relation to the hydrogen ox-
idation reaction, which leads to an increase in
the overvoltage at the cathode and, as a result,
to a decrease in the productivity of FCs. To
solve this problem, the new methods are being
developed for the synthesis of highly efficient
platinum electrocatalysts, which currently
have the best performance, since platinum has
ФІЗИЧНА ХІМІЯ ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ
ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
62 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2020
the highest specific catalytic activity among
other materials used in low-temperature FCs.
The purpose of this work is to determine
the optimal composition of reaction mixture
and conditions for the preparation of a plati-
num based catalyst for oxygen electroreduc-
tion where Vulcan XC-72 nanodispersed car-
bon black is used as a carrier.
We have worked out 6 methods for prepar-
ing Pt(40 %)/XC-72 catalysts. To evaluate the
activity of the prepared catalysts and to de-
termine the kinetic parameters of the oxygen
reduction on them, cathodic stationary polari
zation curves were recorded in a 0.5 M H2SO4
solution on a floating gas diffusion electrode
superficially modified by the catalysts.
For preparation of all electrocatalysts we
are used 3.6 ml of a hexachloroplatinic acid
(H2PtCl6) solution, containing 18.8 mg Pt/ml,
100 ml of ethylene glycol or its mixture with
deionized water (3 : 1) and 100 mg of Vulcan
XC-72 carbon black, previously oxidized in
HNO3 solution. 1 M NaOH or KOH solutions
were used to create the necessary medium
(pH = 11). Some Pt(40 %)/XC-72 electrocata-
lysts were prepared when additions of polyvi-
nylpyrrolidone (PVP) (100 mg or 300 mg) and/
or 60 ml of formaldehyde were introduced into
reaction mixture. Temperature during synthe-
ses was in the range 75 - 160 °C.
It was shown that reducing the synthesis
temperature from 160 to 75 °C and introduction
of PVP together with formaldehyde into reac-
tion mixture had a positive effect on the activity
of obtained nanocomposite platinum-contain-
ing catalysts Pt(40 %)/XC-72 for oxygen elect-
roreduction. The sizes of the obtained platinum
clusters on the surface of carbon black nano-
particles were in the range of 1.7 - 5.7 nm, and
under optimal synthesis conditions they were
evenly and densely distributed on the surface of
the carbon carrier. The obtained kinetic charac-
teristics of oxygen electroreduction on the stud-
ied catalysts indicate that the mechanism of this
process depended on both the current density
and the method of catalyst synthesis.
Key words: nanosized platinum electrocat-
alysts, oxygen electroreduction, fuel cell.
ЛІТЕРАТУРА
1. Debe M. K. Electrocatalyst approaches and
challenges for automotive fuel cells // Nature. –
2012. – 486. – P. 43–51.
2. Wang P., Shao Q., X Huang X. Updating Pt-
Based Electrocatalysts for Practical Fuel Cells //
Joule. – 2018. – 2. – P. 2511–2518.
3. Song Ch., Zhang J. Electrocatalytic Oxygen Re-
duction Reaction. In: PEM Fuel Cell Electrocat-
alysts and Catalyst Layers // London: Spring-
er. – 2008. – P. 89–134.
4. Wang J. X., Markovic N. M., Adzic R. R. Kinet-
ic Analysis of Oxygen Reduction on Pt(111).
In: Acid Solutions: Intrinsic Kinetic Param-
eters and Anion Adsorption Effects // J. Phys.
Chem. B. – 2014. – 108. – P. 4127–4133.
5. Wilson M. S., Gottesfeld S. Thin-film catalyst lay-
ers for polymer electrolyte fuel cell electrodes //
J. Appl. Electrochem. – 1992. – 22. – P. 1–7.
6. Liu Zh., Ming L., Liang G. et al. Carbon-sup-
ported Pt nanoparticles as catalysts for proton
exchange membrane fuel cells // J. Power Sour
ces. – 2005. – 139. – P. 73–78.7.
7. Qi J., Jiang L., Jing M. at all. Preparation of Pt/C
via a polyol process – Investigation on carbon
support adding sequence // Int. J. Hydrogen En-
ergy. – 2011. – 36. – P. 10490–10501.
8. Matsumoto T., Komatsu T., Arai K., et al. Reduc-
tion of Pt usage in fuel cell electrocatalysts with
carbon nanotube electrodes // Chem. Commu-
nications. – 2004. – 7. – P. 840–841.
9. Yeung C. M. Y., Yu K. M. K., Fu Q.J. et al. Engi-
neering Pt in ceria for a maximum metal-sup-
УХЖ № 7 / Том 86Ю. К. Пірський, Ф. Д. Манілевич, Т. М. Панчишин, Я. В. Колосовський, О. Г. Алабут
63https://ucj.org.ua
port interaction in catalysis // J. American
Chem. Society. – 2005. – 127. – P. 18010–18011.
10. Herricks T., Jingyi Chen A., Xia Y. Polyol Synthe-
sis of Platinum Nanoparticles: Control of Mor-
phology with Sodium Nitrate // Nano Lett. –
2004. – 4. – P. 2367–2371.
11. Dong H., Chen Y.-C., Feldmann C. Polyol syn-
thesis of nanoparticles: status and options re-
garding metals, oxides, chalcogenides, and
non-metal elements // Green Chem. – 2015. –
17. – P. 4107–4132.
12. Petrii O. A. Electrosynthesis of nanostructures
and nanomaterials // Russian Chem. Reviews. –
2015. – 84. – P. 159–193.
13. Leontyev I., Kuriganova A., Kudryavtsev Y. et al.
New life of a forgotten method: Electrochemical
route toward highly efficient Pt/C catalysts for
lowtemperature fuel cells // Applied Catalisys A
General. – 2012. – 17. – P. 120–125.
14. Guterman V. E., Pakharev A. Y., Tabachko
va N. Y Microstructure and size effects in Pt/C
and Pt3Ni/C electrocatalysts synthesized in
solutions based on binary organic solvents //
Applied Catalisys A General. – 2013. – 453. –
P. 113–120.
15. Alekseenko A. A., Guterman V. E., Volochaev
V. A. et al. Effect of wet synthesis conditions on
the microstructure and active surface area of
Pt/C catalysts // Inorganic Materials. – 2015. –
51. – P. 1258–1263.
16. Qu Y., Gao Y., Zhang S. et al. Pt-rGO-TiO2 na-
nocomposite by UV photoreduction method as
promising electrocatalyst for methanol oxida-
tion // Int. J. Hydrogen Energy. – 2013. – 38. –
P. 12310–12317.
17. Masafumi Harada A., Einaga H. Formation
Mechanism of Pt Particles by Photoreduction
of Pt Ions in Polymer Solutions // Langmuir. –
2006. – 22. – P. 2371–2377.
18. Fang B., Chaudhari N. K., Kim M. S. at all.
Homogeneous deposition of platinum nano-
particles on carbon black for proton exchange
membrane fuel cell. // J. American Chem. So
ciety. – 2009. – 131. – P. 15330–15338.
19. Chen M., Xing Y. Polymer-Mediated Synthesis
of Highly Dispersed Pt Nanoparticles on Car-
bon Black // Langmuir. – 2005. – 21. – P. 9334–
9338.
20. Штейнберг Г. В., Кукушкина И. А., Багоц
кий В. С., Тарасевич М. Р. Исследование
кинетики восстановления кислорода на
дисперсных углеродистых материалах. //
Электрохимия. – 1979. – 15. – С. 527–532.
21. Чизмаджев Ю. А., Маркин В. С., Тарасе
вич М. Р. и др. Макрокинетика процессов в
пористых средах (Топливные элементы). –
М.: Наука, 1971.
22. Tarasevich M. R. Sadkowski A., Yeager E. Oxy-
gen electrochemistry. In Comprehensive Trea-
tise of Electrochemistry / Eds: P. Horsman,
B. E. Conway, E. Yeager. – New York: Plenum
Press. – 1983. – 7. – Р. 301–398.
23. Багоцкий В. С. Основы электрохимии. – М.:
Химия, 1988.
24. Yeager E. Dioxygen Electrocagalysis: Mecha-
nisms in Relation to Catalyst Structure // J. Mol.
Catal. – 1986. – 38. – P. 5–25.
25. Xu Y. Mavrikakis M. Adsorption and disso-
ciation of O2 on gold surfaces: effect of steps
and strain // J. Phys. Chem. B. – 2003. – 107. –
P. 9298–9307.
26. Yeager E. Electrocatalysts for O2 reduction //
Electrochim. Acta. – 1984. – 29. – P. 1527–1537.
REFERENCES
1. Debe M. K. Electrocatalyst approaches and
challenges for automotive fuel cells // Nature. –
2012. – 486: 43.
2. Wang P., Shao Q., X Huang X. Updating Pt-
Based Electrocatalysts for Practical Fuel Cells //
Journal Joule. – 2018. – 2: 2511.
3. Song Ch., Zhang J. Electrocatalytic Oxygen Re-
duction Reaction. In: PEM Fuel Cell Electrocat-
alysts and Catalyst Layers. – London: Springer,
2008.
4. Wang J. X., Markovic N. M., Adzic R. R. Kinet-
ic Analysis of Oxygen Reduction on Pt(111).
In Acid Solutions: Intrinsic Kinetic Parameters
ФІЗИЧНА ХІМІЯ ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ
ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ
64 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2020
and Anion Adsorption Effects // J. Pphys.
Chem. B. – 2014. – 108: 4127.
5. Wilson M. S., Gottesfeld S. Thin-film catalyst
layers for polymer electrolyte fuel cell elec-
trodes. // J. Appl. Electrochem. – 1992. – 22: 1.
6. Liu Zh., Ming L., Liang G. at all. Carbon-sup-
ported Pt nanoparticles as catalysts for proton
exchange membrane fuel cells. // J. Power Sour
ces. – 2005. – 139: 73.
7. Qi J., Jiang L., Jing M. et al. Preparation of Pt/C
via a polyol process - Investigation on carbon
support adding sequence. // Int. J. Hydrogen En
ergy. – 2011. – 36: 10490.
8. Matsumoto T., Komatsu T., Arai K., et al. Ed-
ucation of Pt usage in fuel cell electrocatalysts
with carbon nanotube electrodes // Chem.
Commun. – 2004. – 7: 840.
9. Yeung C. M. Y., Yu K. M. K., Fu Q. J. et al. Engi-
neering Pt in ceria for a maximum metal-sup-
port interaction in catalysis // J. American
Chem. Society. – 2005. – 127: 18010.
10. Herricks T., Jingyi Chen A., Xia Y. Polyol Syn-
thesis of Platinum Nanoparticles: Control of
Morphology with Sodium Nitrate // Nano
Lett. – 2004. – 4: 2367.
11. Dong H., Chen Y.-C., Feldmann C. Polyol syn-
thesis of nanoparticles: status and options regard-
ing metals, oxides, chalcogenides, and non-metal
elements // Green Chem. – 2015. – 17: 4107.
12. Petrii O. A. Electrosynthesis of nanostructures
and nanomaterials // Russian Chem. Reviews. –
2015. – 84: 159.
13. Leontyev I., Kuriganova A., Kudryavtsev Y. et al.
New life of a forgotten method: Electrochemical
route toward highly efficient Pt/C catalysts for
lowtemperature fuel cells // Applied Catalisys A
General. – 2012. – 17: 120.
14. Guterman V. E., Pakharev A.Y., Tabachkova
N. Y. Microstructure and size effects in Pt/C
and Pt3Ni/C electrocatalysts synthesized in
solutions based on binary organic solvents //
Applied Catalisys A General. – 2013. – 453: 113.
15. Alekseenko A. A., Guterman V. E., Volocha
ev V. A., et al. Effect of wet synthesis conditions
on the microstructure and active surface area of
Pt/C catalysts // Inorganic Materials. – 2015. –
51: 1258.
16. Qu Y., Gao Y., Zhang S. at all. Pt-rGO-TiO2 na-
nocomposite by UV photoreduction method as
promising electrocatalyst for methanol oxidati
on // Int. J. Hydrogen Energy. – 2013. – 38: 12310.
17. Masafumi Harada A., Einaga H. Formation
Mechanism of Pt Particles by Photoreduction
of Pt Ions in Polymer Solutions // Langmuir. –
2006. – 22: 2371.
18. Fang B., Chaudhari N. K., Kim M. S. at all.
Homogeneous deposition of platinum nano-
particles on carbon black for proton exchange
membrane fuel cell. J. // American Chem. Soci
ety. – 2009. – 131: 15330.
19. Chen M., Xing Y. Polymer-Mediated Synthesis
of Highly Dispersed Pt Nanoparticles on Car-
bon Black // Langmuir. – 2005. – 21: 9334.
20. Shteinberg G. V., Kukushkina I. A., Bagot-
skii V. S., Tarasevich M. R. Kinetics of oxygen
reduction at disperse carbon materials // Soviet
Electrochem. – 1979. – 15: 527 [in Russian].
21. Chizmadzhev Y. A., Markin V. S., Tarase-
vich M. R., Chirkov Yu. G. Macrokinetics pro-
cesses in porous media (Fuel cells). – M.: Nau-
ka, 1971 [in Russian].
22. Tarasevich M. R. Sadkowski A., Yeager E. Oxy-
gen electrochemistry. In: Comprehensive Trea-
tise of Electrochemistry. Eds: P. Horsman, B.E.
Conway, E. Yeager. – NewYork: Plenum Press,
1983. – 7: 301.
23. Bagotskii V. S. Fundamentals of Electrochemis-
try. – М.: Chimiya, 1988 [in Russian].
24. Yeager E. Dioxygen Electrocagalysis: Mecha-
nisms in Relation to Catalyst Structure // J. Mol.
Catal. – 1986. – 38: 5.
25. Xu Y. Mavrikakis M. Adsorption and dissocia-
tion of O2 on gold surfaces: effect of steps and
strain // J. Phys. Chem. B. – 2003. – 107: 9298.
26. Yeager E. Electrocatalysts for O2 reduction //
Electrochim. Acta. – 1984. – 29: 1527.
Надійшла 24.06.2020
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-196 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:02:46Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/72/185b3526d01be280213e55ca3b71c972.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-1962026-07-22T08:23:43Z EFFECT OF POLYVINYLPYRROLIDONE ON THE SYNTHESIS AND CATALYTIC PROPERTIES OF PLATINUM-CONTAINING OXYGEN ELECTROREDUCTION CATALYSTS ВЛИЯНИЕ ПОЛИВИНИЛПИРРОЛИДОНА НА СИНТЕЗ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ ЭЛЕКТРОВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ Pirskyy, Yuriy Manilevich, Fedor Panchyshyn, Taras Kolosovskiy, Yaroslav Orina, Alabut nanosized platinum electrocatalysts, oxygen electroreduction, fuel cell. Results of the work on the synthesis of highly effective nanocomposite platinum-containing oxygen reduction electrocatalysts for hydrogen-oxygen fuel cells are presented and ways of increasing their activity are considered. Fuel cells (FCs) represent the most promising renewable and environmentally friendly energy sources that can operate at low temperatures with high efficiency and with low or zero levels of hazardous waste. The main problem of fuel cells is that the oxygen reduction reaction is slowed down in relation to the hydrogen oxidation reaction, which leads to an increase in the overvoltage at the cathode and, as a result, to a decrease in the productivity of FCs. To solve this problem, the new methods are being developed for the synthesis of highly efficient platinum electrocatalysts, which currently have the best performance, since platinum has the highest specific catalytic activity among other materials used in low temperature FCs. The purpose of this work is to determine the optimal composition of reaction mixture and conditions for the preparation of a platinum based catalyst for oxygen electroreduction where Vulcan XC-72 nanodispersed carbon black is used as a carrier. We have worked out 6 methods for preparing Pt&nbsp; (40 %)/XC-72 catalysts. To evaluate the activity of the prepared catalysts and to determine the kinetic parameters of the oxygen reduction on them, cathodic stationary polarization curves were recorded in a 0.5 M H2SO4 solution on a floating gas diffusion electrode superficially modified by the catalysts. For preparation of all electrocatalysts we are used 3.6 ml of a hexachloroplatinic acid (H2PtCl6) solution, containing 18.8 mg Pt/ml, 100 ml of ethylene glycol or its mixture with deionized water (3 : 1) and 100 mg of Vulcan XC-72 carbon black, previously oxidized in HNO3 solution. 1 M NaOH or KOH solutions were used to create the necessary medium (pH = 11). Some Pt(40 %)/XC-72 electrocatalysts were prepared when additions of polyvinylpyrrolidone (PVP) (100 mg or 300 mg) and/or 60 ml of formaldehyde were introduced into reaction mixture. Temperature during syntheses was in the range 75 - 160 °C. It was shown that reducing the synthesis temperature from 160 to 75 °C and introduction of PVP together with formaldehyde into reaction mixture had a positive effect on the activity of obtained nanocomposite platinum-containing catalysts Pt(40 %)/XC-72 for oxygen electroreduction.The sizes of the obtained platinum clusters on the surface of carbon black nanoparticles were in the range of 1.7 - 5.7 nm, and under optimal synthesis conditions they were evenly and densely distributed on the surface of the carbon carrier. The obtained kinetic characteristics of oxygen electroreduction on the studied catalysts indicate that the mechanism of this process depended on both the current density and the method of catalyst synthesis. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2020-08-20 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/196 10.33609/2708-129X.86.7.2020.53-64 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 86 No. 7 (2020): Ukrainian Chemistry Journal; 53-64 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 86 ##issue.no## 7 (2020): Украинский химический журнал; 53-64 Український хімічний журнал; Том 86 № 7 (2020): Український хімічний журнал; 53-64 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/196/116 Copyright (c) 2020 Yuriy Pirskyy, Fedor Manilevich, Taras Panchyshyn, Yaroslav Kolosovskiy, Alabut Orina https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Pirskyy, Yuriy Manilevich, Fedor Panchyshyn, Taras Kolosovskiy, Yaroslav Orina, Alabut ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ |
| title | ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ |
| title_alt | EFFECT OF POLYVINYLPYRROLIDONE ON THE SYNTHESIS AND CATALYTIC PROPERTIES OF PLATINUM-CONTAINING OXYGEN ELECTROREDUCTION CATALYSTS ВЛИЯНИЕ ПОЛИВИНИЛПИРРОЛИДОНА НА СИНТЕЗ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАТИНОСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ ЭЛЕКТРОВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА |
| title_full | ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ |
| title_fullStr | ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ |
| title_full_unstemmed | ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ |
| title_short | ВПЛИВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ НА СИНТЕЗ І КАТАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАТИНОВМІСНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ ЕЛЕКТРОВІДНОВЛЕННЯ КИСНЮ |
| title_sort | вплив полівінілпіролідону на синтез і каталітичні властивості платиновмісних каталізаторів електровідновлення кисню |
| topic_facet | nanosized platinum electrocatalysts oxygen electroreduction fuel cell. |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/196 |
| work_keys_str_mv | AT pirskyyyuriy effectofpolyvinylpyrrolidoneonthesynthesisandcatalyticpropertiesofplatinumcontainingoxygenelectroreductioncatalysts AT manilevichfedor effectofpolyvinylpyrrolidoneonthesynthesisandcatalyticpropertiesofplatinumcontainingoxygenelectroreductioncatalysts AT panchyshyntaras effectofpolyvinylpyrrolidoneonthesynthesisandcatalyticpropertiesofplatinumcontainingoxygenelectroreductioncatalysts AT kolosovskiyyaroslav effectofpolyvinylpyrrolidoneonthesynthesisandcatalyticpropertiesofplatinumcontainingoxygenelectroreductioncatalysts AT orinaalabut effectofpolyvinylpyrrolidoneonthesynthesisandcatalyticpropertiesofplatinumcontainingoxygenelectroreductioncatalysts AT pirskyyyuriy vliâniepolivinilpirrolidonanasintezikatalitičeskiesvojstvaplatinosoderžaŝihkatalizatorovélektrovosstanovleniâkisloroda AT manilevichfedor vliâniepolivinilpirrolidonanasintezikatalitičeskiesvojstvaplatinosoderžaŝihkatalizatorovélektrovosstanovleniâkisloroda AT panchyshyntaras vliâniepolivinilpirrolidonanasintezikatalitičeskiesvojstvaplatinosoderžaŝihkatalizatorovélektrovosstanovleniâkisloroda AT kolosovskiyyaroslav vliâniepolivinilpirrolidonanasintezikatalitičeskiesvojstvaplatinosoderžaŝihkatalizatorovélektrovosstanovleniâkisloroda AT orinaalabut vliâniepolivinilpirrolidonanasintezikatalitičeskiesvojstvaplatinosoderžaŝihkatalizatorovélektrovosstanovleniâkisloroda AT pirskyyyuriy vplivpolívínílpírolídonunasintezíkatalítičnívlastivostíplatinovmísnihkatalízatorívelektrovídnovlennâkisnû AT manilevichfedor vplivpolívínílpírolídonunasintezíkatalítičnívlastivostíplatinovmísnihkatalízatorívelektrovídnovlennâkisnû AT panchyshyntaras vplivpolívínílpírolídonunasintezíkatalítičnívlastivostíplatinovmísnihkatalízatorívelektrovídnovlennâkisnû AT kolosovskiyyaroslav vplivpolívínílpírolídonunasintezíkatalítičnívlastivostíplatinovmísnihkatalízatorívelektrovídnovlennâkisnû AT orinaalabut vplivpolívínílpírolídonunasintezíkatalítičnívlastivostíplatinovmísnihkatalízatorívelektrovídnovlennâkisnû |