Электрокатализаторы на основе платинированного диоксида титана, допированного рутением, для потенциометрических сенсоров водорода и монооксида углерода

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследовались электрокатализаторы на основе платинированных оксидов TiO2(Ru) с разным содержанием рутения для применения в качестве рабочего электрода твердотельных потенциометрических сенсоров на H2 и CO. Увеличение содержания рутения не влияет на размер частиц платины, но снижает ее содержание в металлическом состоянии. В работе представлены данные рентгенофазового и рентгенофлуоресцентного анализов и сканирующей электронной микроскопии. Полученные электрокатализаторы исследовались в качестве материала рабочего электрода в сенсорах водорода и монооксида углерода с концентрациями в потоке воздуха от 1 до 50 000 ppm. На характеристики сенсоров влияют состав оксидного носителя и его структура. Для практического применения рекомендованы электрокатализаторы со структурой рутила, содержание рутения определяется анализируемым диапазоном концентраций CO.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Бельмесов

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: belmesovaa@mail.ru
Россия, Черноголовка

Л. В. Шмыглева

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: belmesovaa@mail.ru
Россия, Черноголовка

Н. В. Романова

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: belmesovaa@mail.ru
Россия, Черноголовка

М. З. Галин

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: belmesovaa@mail.ru
Россия, Черноголовка

А. В. Левченко

ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: belmesovaa@mail.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Филиппов, С.П., Ярославцев, А.Б. Водородная энергетика: перспективы развития и материалы. Успехи химии. 2021. Т. 90. С. 627. [Filippov, S.P. and Yaroslavtsev, A.B., Hydrogen energy: development prospects and materials, Russ. Chem. Rev., 2021, vol. 90, p. 627.]
  2. Yukesh Kannah, R., Kavitha, S., Preethi, Parthiba Karthikeyan, O., Kumar, G., Dai-Viet, N.V., and Rajesh Banu, J., Techno-economic assessment of various hydrogen production methods – A review, Bioresour. Technol., 2021, vol. 319, p. 124175.
  3. Бельмесов, А.А., Баранов, А.А., Левченко, А.В. Анодные электрокатализаторы для топливных элементов на основе Pt/ Ti 1-x Ru x O 2 ). Электрохимия. 2018. Т. 54. С. 570. [Belmesov, A.A., Baranov, A.A., and Levchenko, A.V., Anodic electrocatalysts for fuel cells based on Pt/ Ti 1-x Ru x O 2 , Russ. J. Electrochem., 2018, vol. 54, p. 493.]
  4. Goto, T., Hyodo, T., Ueda, T., Kamada, K., Kaneyasu, K., and Shimizu, Y., CO-sensing properties of potentiometric gas sensors using an anion-conducting polymer electrolyte and Au-loaded metal oxide electrodes, Electrochim. Acta, 2015, vol. 166, p. 232.
  5. Hyodo, T., Goto, T., Ueda, T., Kaneyasu, K., and Shimizu, Y., Potentiometric carbon monoxide sensors using an anion-conducting polymer electrolyte and Au-loaded SnO 2 electrodes , J. Electrochem. Soc., 2016, vol. 163, p. B300.
  6. Hyodo, T., Takamori, M., Goto, T., Ueda, T., and Shimizu, Y., Potentiometric CO sensors using anion-conducting polymer electrolyte: Effects of the kinds of noble metal-loaded metal oxides as sensing-electrode materials on CO-sensing properties, Sensors Actuators, B Chem., 2019, vol. 287, p. 42.
  7. Formo, E., Peng, Z., Lee, E., Lu, X., Yang, H., and Xia, Y., Direct Oxidation of methanol on Pt nanostructures supported on electrospun nanofibers of anatase, J. Phys. Chem. C, 2008, vol. 112, p. 9970.
  8. Ahmad, W., Park, E., Lee, H., Kim, J.Y., Kim, B.C., Jurng, J., and Oh, Y., Defective domain control of TiO 2 support in Pt/ TiO 2 for room temperature formaldehyde (HCHO) remediation, Appl. Surf. Sci., 2021, vol. 538, p. 147504.
  9. Wang, C., Yang, J., Li, J., Luo, C., Xu, X., and Qian, F., Solid-state electrochemical hydrogen sensors: A review, Int. J. Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, p. 31377.
  10. Liu, X., Chen, J., Liu, G., Zhang, L., Zhang, H., and Yi, B., Enhanced long-term durability of proton exchange membrane fuel cell cathode by employing Pt / TiO 2 / C catalysts, J. Power Sources, 2010, vol. 195, p. 4098.
  11. Chhina, H., Campbell, S., and Kesler, O., Ex situ Evaluation of tungsten oxide as a catalyst support for PEMFCs, J. Electrochem. Soc., 2007, vol. 154, p. B533.
  12. Mahajan, S. and Jagtap, S., Metal-oxide semiconductors for carbon monoxide (CO) gas sensing: A review, Appl. Mater. Today, 2020, vol. 18, p. 100483.
  13. Lin, R., Cao, C., Zhang, H., Huang, H., and Ma, J., Electro-catalytic activity of enhanced CO tolerant cerium-promoted Pt/C catalyst for PEM fuel cell anode, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, p. 4648.
  14. Spasojević, M., Marković, D., and Spasojević, M., Mathematical model of electrocatalysis of methanol oxidation at the mixture of nanocrystals of platinum and ruthenium dioxide, Rev. Roum. Chim., 2022, vol. 67, p. 473.
  15. Gurrola, M.P., Guerra-Balcázar, M., Álvarez-Contreras, L., Nava, R., Ledesma-García, J., and Arriaga, L.G., High surface electrochemical support based on Sb-doped SnO2, J. Power Sources, 2013, vol. 243, p. 826.
  16. Leonova, L., Shmygleva, L., Ukshe, A., Levchenko, A., Chub, A., and Dobrovolsky, Y., Solid-state hydrogen sensors based on calixarene—12-phosphatotungstic acid composite electrolytes, Sensors Actuators B Chem., 2016, vol. 230, p. 470.
  17. Бельмесов, А.А., Левченко, А.В., Паланкоев, Т.А., Леонова, Л.С., Укше, А.Е., Чикин, А.И., Букун, Н.Г. Электрохимические сенсоры на основе платинированного Ti 1-x Ru x O 2 . Электрохимия. 2013. Т. 49. С. 926. [Bel’mesov, A.A., Levchenko, A.V., Palankoev, T.A., Leonova, L.S., Ukshe, A.E., Chikin, A.I., and Bukun, N.G., Electrochemical sensors based on platinized Ti 1-x Ru x O 2 , Russ. J. Electrochem., 2013, vol. 49, p. 831.]
  18. Colomer, M.T. and Jurado, J.R., Structural, microstructural, and electrical transport properties of TiO 2 − RuO 2 ceramic materials obtained by polymeric sol−gel route, Chem. Mater., 2000, vol. 12, p. 923.
  19. Фролова, Л.А., Добровольский, Ю.А. Платиновые электрокатализаторы на основе оксидных носителей для водородных и метанольных топливных элементов. Изв. Акад. Наук, Сер. Хим., 2011. Т. 60. С. 1076. [Frolova, L.A. and Dobrovolsky, Y.A., Platinum electrocatalysts based on oxide supports for hydrogen and methanol fuel cells, Russ. Chem. Bull., 2011, vol. 60, p. 1101.]
  20. Yin, Y., Huang, C., Luo, X., and Xu, B., Iron behavior during the continuous phase transition of iron-doped titanium dioxide determined via high-temperature in-situ X-ray diffraction, rietveld refinement, and density functional theory studies, J. Mater. Res. Technol., 2023, vol. 23, p. 2426.
  21. Ferreira, H.S., Ferreira, H.S., da Silva, M.V.S., da Rocha, M. da G.C., Bargiela, P., Rangel, M. do C., Eguiluz, K.I.B., and Salazar-Banda, G.R., Improved electrocatalytic activity of Pt supported onto Fe-doped TiO 2 toward ethanol oxidation in acid media, Mater. Chem. Phys., 2020, vol. 245, p. 122753.
  22. Moradi, M., Khorasheh, F., and Larimi, A., Pt nanoparticles decorated Bi-doped TiO 2 as an efficient photocatalyst for CO 2 photo-reduction into CH 4 , Sol. Energy, 2020, vol. 211, p. 100.
  23. Wetchakun, N., Incessungvorn, B., Wetchakun, K., and Phanichphant, S., Influence of calcination temperature on anatase to rutile phase transformation in TiO 2 nanoparticles synthesized by the modified sol–gel method, Mater. Lett., 2012, vol. 82, p. 195.
  24. Зюбин, А.С., Зюбина, Т.С., Добровольский, Ю.А., Бельмесов, А.А., Волохов, В.М. Наночастицы платины на различных типах поверхности диоксида титана: квантово-химическое моделирование. Журн. неорган. химии. 2014. Т. 59. С. 1038. [Zyubin, A.S., Zyubina, T.S., Dobrovol’skii, Y.A., Bel’mesov, A.A., and Volokhov, V.M., Platinum nanoparticles on different types of titanium dioxide surface: A quantum-chemical modeling, Russ. J. Inorg. Chem., 2014, vol. 59, p. 816.]
  25. Герасимова, Е.В., Букун, Н.Г., Добровольский, Ю.А. Электрокаталитические свойства катализаторов на основе углеродных нановолокон с различным содержанием платины. Изв. АН. Сер. Хим. 2011. Т. 60. С. 1021. [Gerasimova, E. V., Bukun, N.G., and Dobrovolsky, Y.A., Electrocatalytic properties of the catalysts based on carbon nanofibers with various platinum contents, Russ. Chem. Bull., 2011, vol. 60, p. 1045.]
  26. Jacob, K.T. and Subramanian, R., Phase Diagram for the System RuO 2 - TiO 2 in air, J. Phase Equilibria Diffus., 2008, vol. 29, p. 136.
  27. Volodin, A.A., Belmesov, A.A., Murzin, V.B., Fursikov, p. V., Zolotarenko, A.D., and Tarasov, B.P., Electro-conductive composites based on titania and carbon nanotubes, Inorg. Mater., 2013, vol. 49, p. 656.
  28. Treglazov, I., Leonova, L., Dobrovolsky, Y., Ryabov, A., Vakulenko, A., and Vassiliev, S., Electrocatalytic effects in gas sensors based on low-temperature superprotonics, Sensors Actuators B Chem., 2005, vol. 106, p. 164.
  29. Shmygleva, L.V., Chub, A.V., and Leonova, L.S., Solid-state potentiometric sensors with platinized SnO2(Sb) and calixarene/phosphotungstic acid composite electrolyte selective to CO in hydrogen-air atmosphere, Sensors Actuators B Chem., 2021, vol. 349, p. 130823.
  30. Шмыглева, Л.В., Старков, А.В., Леонова, Л.С. Влияние состава материала рабочего электрода на основе Pt/ SnO 2 (Sb) на свойства сенсоров на водород и монооксид углерода. Электрохимия. 2023. Т. 59. С. 333. [Shmygleva, L.V., Starkov, A.V., and Leonova, L.S., The Effect of the working electrode material based on Pt/ SnO 2 (Sb) on the properties of hydrogen and carbon-monoxide sensors, Russ. J. Electrochem., 2023, vol. 59. p. 441.]
  31. Укше, Е.А., Леонова, Л.С. Потенциометрический водородный сенсор с протонным твердым электролитом. Электрохимия. 2011. Т. 92. С. 1427. [Ukshe, E. and Leonova, L., Potentiometric hydrogen sensors with proton conducting solid electrolytes, Sov. Electrochem., 1992, vol. 28, p. 1166.]
  32. Левченко, А.В., Укше, А.Е., Федотова, А.А. Кинетика процессов на границе H 3 PW 12 O 40 /Pt, H 2 в зависимости от содержания платины на электроде. Электрохимия. 2011. Т. 46. С. 776. [Levchenko, A. V., Ukshe, A.E., and Fedotova, A.A., Kinetics of processes occurring at a H 3 PW 12 O 40 /Pt, H 2 interface depending on the platinum content on the electrode, Russ. J. Electrochem., 2011, vol. 47, p. 726.]
  33. Gonzalez Szwacki, N., Fabrykiewicz, P., Sosnowska, I., Fauth, F., Suard, E., and Przeniosło, R., Orthorhombic symmetry and anisotropic properties of rutile TiO 2 , J. Phys. Chem. C, 2023, vol. 127, p. 19240.
  34. Arblaster, J.W., Crystallographic Properties of Ruthenium, Platin. Met. Rev., 1997, vol. 41, p. 12.
  35. Vovk, E.I., Kalinkin, A. V., Smirnov, M.Y., Klembovskii, I.O., and Bukhtiyarov, V.I., XPS study of stability and reactivity of oxidized Pt nanoparticles supported on TiO 2 , J. Phys. Chem. C, 2017, vol. 121, p. 17297.
  36. Tiernan, M.J. and Finlayson, O.E., Effects of ceria on the combustion activity and surface properties of Pt/ Al 2 O 3 catalysts, Appl. Catal. B Environ., 1998, vol. 19, p. 23.
  37. Kozlova, E.A., Lyubina, T.P., Nasalevich, M.A., Vorontsov, A.V., Miller, A.V., Kaichev, V.V., and Parmon, V.N., Influence of the method of platinum deposition on activity and stability of Pt/ TiO 2 photocatalysts in the photocatalytic oxidation of dimethyl methylphosphonate, Catal. Commun., 2011, vol. 12, p. 597.
  38. Smirnov, M.Y., Kalinkin, A. V., and Bukhtiyarov, V.I., X-ray photoelectron spectroscopic study of the interaction of supported metal catalysts with NO x , J. Struct. Chem., 2007, vol. 48, p. 1053.
  39. Vikrant, K., Weon, S., Kim, K.-H., and Sillanpää, M., Platinized titanium dioxide (Pt/ TiO 2 ) as a multi-functional catalyst for thermocatalysis, photocatalysis, and photothermal catalysis for removing air pollutants, Appl. Mater. Today, 2021, vol. 23, p. 100993.
  40. Zanfoni, N., Avril, L., Imhoff, L., Domenichini, B., and Bourgeois, S., Direct liquid injection chemical vapor deposition of platinum doped cerium oxide thin films, Thin Solid Films, 2015, vol. 589, p. 246.
  41. Kibis, L.S., Svintsitskiy, D.A., Stadnichenko, A.I., Slavinskaya, E.M., Romanenko, A. V., Fedorova, E.A., Stonkus, O.A., Svetlichnyi, V.A., Fakhrutdinova, E.D., Vorokhta, M., Šmíd, B., Doronkin, D.E., Marchuk, V., Grunwaldt, J.-D., and Boronin, A.I., In situ probing of Pt/ TiO 2 activity in low-temperature ammonia oxidation, Catal. Sci. Technol., 2021, vol. 11, p. 250.
  42. Stakheev, A.Y., Shulga, Y.M., Gaidai, N.A., Telegina, N.S., Tkachenko, O.P., Kustov, L.M., and Minachev, K.M., New evidence for the electronic nature of the strong metal-support interaction effect over a Pt/ TiO 2 hydrogenation catalyst, Mendeleev Commun., 2001, vol. 11, p. 186.
  43. Colmenares, J.C., Magdziarz, A., Aramendia, M.A., Marinas, A., Marinas, J.M., Urbano, F.J., and Navio, J.A., Influence of the strong metal support interaction effect (SMSI) of Pt/ TiO 2 and Pd/ TiO 2 systems in the photocatalytic biohydrogen production from glucose solution, Catal. Commun., 2011, vol. 16, p. 1.
  44. Jiao, J., Wei, Y., Chi, K., Zhao, Z., Duan, A., Liu, J., Jiang, G., Wang, Y., Wang, X., Han, C., et al., Platinum nanoparticles supported on TiO 2 photonic crystals as highly active photocatalyst for the reduction of CO 2 in the presence of water, Energy Technol., 2017, vol. 5, p. 877.
  45. Huang, H. and Leung, D.Y.C., Complete elimination of indoor formaldehyde over supported Pt catalysts with extremely low Pt content at ambient temperature, J. Catal., 2011, vol. 280, p. 60.
  46. Hyodo, T., Goto, T., Takamori, M., Ueda, T., and Shimizu, Y., Effects of Pt loading onto SnO 2 electrodes on CO-sensing properties and mechanism of potentiometric gas sensors utilizing an anion-conducting polymer electrolyte, Sensors Actuators B Chem., 2019, vol. 300, p. 127041.
  47. Hyodo, T., Ishibashi, C., Matsuo, K., Kaneyasu, K., Yanagi, H., and Shimizu, Y., CO and CO2 sensing properties of electrochemical gas sensors using an anion-conducting polymer as an electrolyte, Electrochim. Acta, 2012, vol. 82, p. 19.
  48. Ramaiyan, K.P. and Mukundan, R., Editors’ choice—review—recent advances in mixed potential sensors, J. Electrochem. Soc., 2020, vol. 167, p. 037547.
  49. Dobrovolsky, Y., Leonova, L., and Vakulenko, A., Thermodynamic equilibria and kinetic reversibility of the solid electrolyte/electron conductor/gas boundary at low temperature, Solid State Ionics, 1996, vol. 86–88, p. 1017.
  50. Ahmad Fauzi, A.S., Hamidah, N.L., Sato, S., Shintani, M., Putri, G.K., Kitamura, S., Hatakeyama, K., Quitain, A.T., and Kida, T., Carbon-based potentiometric hydrogen sensor using a proton conducting graphene oxide membrane coupled with a WO3 sensing electrode, Sensors Actuators B Chem., 2020, vol. 323, p. 128678.
  51. Bouchet, R., Siebert, E., and Vitter, G., Polybenzimidazole-based hydrogen sensors II. Effect of the electrode preparation, J. Electrochem. Soc., 2000, vol. 147, p. 3548.
  52. Rosini, S. and Siebert, E., Electrochemical sensors for detection of hydrogen in air: model of the non-Nernstian potentiometric response of platinum gas diffusion electrodes, Electrochim. Acta, 2005, vol. 50, p. 2943.
  53. Maskell, W.C., Inorganic solid state chemically sensitive devices: electrochemical oxygen gas sensors, J. Phys. E., 1987, vol. 20, p. 1156.
  54. Molochas, C. and Tsiakaras, P., Carbon monoxide tolerant pt-based electrocatalysts for H 2 -PEMFC applications: Current Progress and Challenges, Catalysts, 2021, vol. 11, p. 1127.
  55. Ye, S., CO-tolerant catalysts. In PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers. Springer London, р. 759–834.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Микрофотография и соответствующие данные энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии образца Ru12.

Скачать (224KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема электрохимической ячейки для исследования сенсорных свойств исследуемых материалов.

Скачать (66KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Рентгенограммы исследуемых платинированных оксидов. Для сравнения приведены штрих-диаграммы TiO2 (рутила и анатаза) и металлической платины.

Скачать (136KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Микрофотографии образцов Ru3 и Ru4 (а) и распределение частиц Pt по размерам для исследуемых электрокатализаторов Rux (б).

Скачать (389KB)
Метаданные
6. Рис. 5. РФЭ-спектры Pt 4f исследуемых электрокатализаторов.

Скачать (127KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Пример изменения концентрации монооксида углерода и напряжения разомкнутой цепи сенсорной ячейки с рабочим электродом на основе Ru1 от времени.

Скачать (77KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Временные кривые зависимости изменения напряжения разомкнутой цепи сенсоров с исследуемыми электрокатализаторами при увеличении концентрации водорода в воздухе от 400 до 4 000 ppm: экспериментальные (серые точки) и расчетные кривые по формуле (2) (черные линии). Пунктирными линиями обозначены времена релаксации.

Скачать (75KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Концентрационные зависимости конечного напряжения разомкнутой цепи сенсоров с исследуемыми электрокатализаторами (точки – экспериментальные данные, сплошные линии – аппроксимация уравнением (3), пунктирные линии – линии для удобства зрительного восприятия).

Скачать (164KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимости напряжения разомкнутой цепи сенсоров от концентрации H2 для сенсоров с рабочим электродом на основе Ru0 (а), Ru1 (б) и Ru12 (в) при их одновременном присутствии в потоке воздуха.

Скачать (215KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024