ISSN 1608-4039 (Print)
ISSN 1680-9505 (Online)

Для цитирования:

Виноградов К. Ю., Давыдов В. М., Токранова Е. О., Шафигулин Р. В., Востриков С. В., Буланова А. В. КАТАЛИЗАТОРЫ ЭЛЕКТРОВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА В ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЕ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, МОДИФИЦИРОВАННЫХ МОЧЕВИНОЙ, ФТАЛОЦИАНИНАМИ ЖЕЛЕЗА, КОБАЛЬТА И ПАЛЛАДИЕМ // Электрохимическая энергетика. 2025. Т. 25, вып. 3. С. 148-160. DOI: 10.18500/1608-4039-2025-25-3-148-160, EDN: YSFGDF

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 67)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Топливные элементы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
541.135:544.6
DOI: 
10.18500/1608-4039-2025-25-3-148-160
EDN: 
YSFGDF

КАТАЛИЗАТОРЫ ЭЛЕКТРОВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА В ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЕ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, МОДИФИЦИРОВАННЫХ МОЧЕВИНОЙ, ФТАЛОЦИАНИНАМИ ЖЕЛЕЗА, КОБАЛЬТА И ПАЛЛАДИЕМ

Авторы: 
Виноградов Кирилл Юрьевич, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
Давыдов Владислав Михайлович, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
Токранова Елена Олеговна, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
Шафигулин Роман Владимирович, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
Востриков Сергей Владимирович, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
Буланова Анджела Владимировна, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
Аннотация: 

Синтезированы и исследованы катализаторы восстановления кислорода в щелочном электролите на основе многостенных углеродных нанотрубок, модифицированных мочевиной, фталоцианинами железа, кобальта и палладием. Проведены физико-химические исследования поверхности синтезированных материалов методами порометрии, КР-спектроскопии, рентгенофазового анализа, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией. Наибольшую площадь поверхности имеет катализатор, допированный фталоцианинами металлов (MWCNT(Urea)_CoPc_FePc_Pd). Можно предположить, что наличие высокой удельной поверхности у этого катализатора связано с образованием новых слоёв иерархического углерода на поверхности нанотрубок при процессе высокотемпературного пиролиза. Установлено, что фталоцианины металлов являются допантами азота в структуру углеродных нанотрубок. Изучены электрокаталитические свойства синтезированных катализаторов в реакции восстановления кислорода вольтамперометрическим методом. 

Ключевые слова: 
электровосстановление кислорода
катализаторы электровосстановления кислорода
щелочные топливные элементы
углеродные нанотрубки
Благодарности: 
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-73-00063, https://rscf.ru/project/23-73-00063/
Список источников: 
  1. Jiang Y., Yang L., Sun T., Zhao J., Lyu Z., Zhuo O., Wang X., Wu Q., Ma J., Hu Z. Significant contribution of intrinsic carbon defects to oxygen reduction activity. ACS Catalysis, 2015, vol. 5, iss. 11, pp. 6707– 6712. https://doi.org/10.1021/acscatal.5b01835
  2. Yan X., Jia Y., Yao X. Defects on carbons for electrocatalytic oxygen reduction. Chemical Society Reviews, 2018, vol. 47, iss. 20, pp. 7628–7658. https://doi.org/10.1039/c7cs00690j
  3. Singh S. K., Takeyasu K., Nakamura J. Active sites and mechanism of oxygen reduction reaction electrocatalysis on nitrogen-doped carbon materials. Advanced Materials, 2019, vol. 31, iss. 13, art. e1804297. https://doi.org/10.1002/adma.201804297
  4. Lu H. J., Li Y., Zhang L. Q., Li H. N., Zhou X., Liu A. R., Zhang Y. J., Liu S. Q. Synthesis of B-doped hollow carbon spheres as efficient non-metal catalyst for oxygen reduction reaction. RSC Advances, 2015, vol. 5, iss. 64, pp. 52126–52131. https://doi.org/10.1039/c5ra07909h
  5. Sun Y., Wu J., Tian J., Jin C., Yang R. Sulfurdoped carbon spheres as efficient metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Electrochimica Acta, 2015, vol. 178, pp. 806–812. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.08.059
  6. Wu J., Yang Z., Sun Q., Li X., Strasser P., Yang R. Synthesis and electrocatalytic activity of phosphorus-doped carbon xerogel for oxygen reduction. Electrochimica Acta, 2014, vol. 127, pp. 53–60. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.02.016
  7. Wu B., Meng H., Morales D. M., Zeng F., Zhu J., Wang B., Risch M., Xu Z. J., Petit T. Nitrogen‐rich carbonaceous materials for advanced oxygen electrocatalysis: Synthesis, characterization, and activity of nitrogen sites. Advanced Functional Materials, 2022, vol. 32, iss. 31, art. 2204137. https://doi.org/10.1002/adfm.202204137
  8. Guo K., Li N., Bao L., Zhang P., Lu X. Intrinsic carbon structural imperfections for enhancing energy conversion electrocatalysts. Chemical Engineering Journal, 2023, vol. 466, art. 143060. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143060
  9. Wang T., Chutia A., Brett D. J., Shearing P. R., He G., Chai G., Parkin I. P. Palladium alloys used as electrocatalysts for the oxygen reduction reaction. Energy & Environmental Science, 2021, vol. 14, iss. 5, pp. 2639–2669. https://doi.org/10.1039/d0ee03915b
  10. Jiang S., Zhu C., Dong S. Cobalt and nitrogencofunctionalized graphene as a durable non-precious metal catalyst with enhanced ORR activity. Journal of Materials Chemistry. A, 2013, vol. 1, iss. 11, pp. 3593– 3599. https://doi.org/10.1039/c3ta01682j
  11. Zhang Z., Sun J., Wang F., Dai L. Efficient oxygen reduction reaction (ORR) catalysts based on single iron atoms dispersed on a hierarchically structured porous carbon framework. Angewandte Chemie, 2018, vol. 130, iss. 29, pp. 9176–9181. https://doi.org/10.1002/ange.201804958
  12. Li X., Wang Z., Su Z., Zhao Z., Cai Q., Zhao J. Phthalocyanine-supported single-atom catalysts as a promising bifunctional electrocatalyst for ORR/OER: A computational study. ChemPhysMater, 2022, vol. 1, iss. 3, pp. 237–245. https://doi.org/10.1016/j.chphma.2022.04.002
  13. Liang Z., Wang H. Y., Zheng H., Zhang W., Cao R. Porphyrin-based frameworks for oxygen electrocatalysis and catalytic reduction of carbon dioxide. Chemical Society Reviews, 2021, vol. 50, iss. 4, pp. 2540–2581. https://doi.org/10.1039/d0cs01482f
  14. Mei Z. Y., Cai S., Zhao G., Zou X., Fu Y., Jiang J., An Q., Li M., Liu T., Guo H. Boosting the ORR active and Zn-air battery performance through ameliorating the coordination environment of iron phthalocyanine. Chemical Engineering Journal, 2022, vol. 430, art. 132691. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132691
  15. Hebié S., Bayo-Bangoura M., Bayo K., Servat K., Morais C., Napporn T. W., Boniface Kokoh K. Electrocatalytic activity of carbon-supported metallophthalocyanine catalysts toward oxygen reduction reaction in alkaline solution. Journal of Solid State Electrochemistry, 2016, vol. 20, iss. 4, pp. 931–942. https://doi.org/10.1007/s10008-015-2932-6
  16. Thommes M., Kaneko K., Neimark A. V., Olivier J. P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K. S. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, 2015, vol. 87, iss. 9-10, pp. 1051–1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
  17. Sadezky A., Muckenhuber H., Grothe H., Niessner R., Pöschl U. Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: Spectral analysis and structural information. Carbon, 2005, vol. 43, iss. 8, pp. 1731–1742. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.02.018
  18. Zhang H. B., Lin G. D., Zhou Z. H., Dong X., Chen T. Raman spectra of MWCNTs and MWCNTbased H2-adsorbing system. Carbon, 2002, vol. 40, iss. 13, pp. 2429–2436. https://doi.org/10.1016/s0008-6223(02)00148-3
  19. Zhang J. X., Yang X. L., Shao H. F., Tseng C. C., Wang D. S., Tian S. S., Hu W. J., Jing C., Tian J. N., Zhao Y. C. Microwave-assisted synthesis of pd oxide-rich pd particles on nitrogen/sulfur co-doped graphene with remarkably enhanced ethanol electrooxidation. Fuel Cells, 2017, vol. 17, iss. 1, pp. 115–122. https://doi.org/10.1002/fuce.201600153
  20. Zhu M., Diao G. Synthesis of porous Fe3O4 nanospheres and its application for the catalytic degradation of xylenol orange. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, vol. 115, iss. 39, pp. 18923–18934. https://doi.org/10.1021/jp200418j 
  21. Buğday N., Altin S., Yaşar S. Porous carbon‐supported CoPd nanoparticles: High‐performance reduction reaction of nitrophenol. Applied Organometallic Chemistry, 2022, vol. 36, iss. 8, art. e6797. https://doi.org/10.1002/aoc.6797
  22. Ma M., Zhu W., Shao Q., Shi H., Liao F., Shao C., Shao M. Palladium–copper bimetallic nanoparticles loaded on carbon black for oxygen reduction and zinc–air batteries. ACS Applied Nano Materials, 2021, vol. 4, iss. 2, pp. 1478–1484. https://doi.org/10.1021/acsanm.0c02997 
Поступила в редакцию: 
21.08.2025
Принята к публикации: 
10.09.2025
Опубликована: 
30.09.2025