Е.А. Киселева1, Н.Е. Садковская2

1 Филиал НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ – ИХС (Санкт-Петербург, Россия)

2 Институт управления РАНХиГС (Москва, Россия)

1 kanna787@mail.ru, 2 natsadkovskaya@rambler.ru

Постановка проблемы. Для применения электрохимических источников тока и накопителей энергии в настоящее время необходимо реализовать высокие плотности энергии, низкую стоимость, высокую безопасность и экологическую чистоту.

Цель. Синтезировать азотсодержащие углеродные нанотрубки различными методами, определить характеристики и изучить каталитические свойства азотированных углеродных нанотрубок, содержащих атомы азота и отличающихся высокой удельной поверхностью, основная часть которой приходится на внешнюю поверхность трубок, что значительно снижает влияние диффузии на каталитические реакции.

Результаты. Синтезированы азотированные углеродные нанотрубки с использованием установки химического осаждения из газовой фазы, состоящей из вакуумной печи Lindberg Furnace, оснащенной горизонтальной кварцевой трубкой, проходящей вдоль печи. Для всех электрохимических измерений использована установка с вращающимся кольцевым дисковым электродом. Все электрохимические измерения проведены при комнатной температуре (+22 °C). Охарактеризовано структурное состояние образцов азотированных углеродных нанотрубок методом рамановского рассеяния. Изучено влияние увеличения содержания азота во время синтеза азотированных углеродных нанотрубок. Исследованы три исходных раствора азот/углеродного алифатического диамина. С помощью анализа XPS оценен элементный состав синтезированных продуктов (этилендиамин-углеродных, 1,3-диаминопропан-углеродных и 1,4-диаминобутан-углеродных нанотрубок). Подтверждено успешное включение азота во все три образца азотированных углеродных нанотрубок. В таблицах представлена подробная информация о трех основных пиках спектров, полученных с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Сделан вывод, что увеличение отношения интенсивностей двух пиков является прямым результатом включения азота. Установлено, что пики, наблюдаемые при энергии около 401,0 эВ, указывают на присутствие обоих видов азота, при этом смещение пика в сторону меньшей энергии связи указывает на преобладание пиррольного азота, тогда как смещение пика в сторону большей энергии связи указывает на преобладание четвертичного азота.

Практическая значимость. Полученные результаты подтверждают, что азотированные углеродные нанотрубки с высоким содержанием азота являются перспективными материалами для использования в качестве электрокатализаторов реакции восстановления кислорода в топливных элементах.

Киселева Е.А., Садковская Н.Е. Композитные катоды для металл-воздушных элементов на основе легированных азотом углеродных нанотрубок // Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век . 2026. Т. 18. № 3. С. 67−73. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202603-06

1. Palacin M. P. Recent advances in rechargeable battery materials: a chemist's perspective // Chem. Soc. Rev. 2009. V. 38. P. 2565–2575. DOI: 10.1039/B820555H.
2. Yang Z. G., Zhang J. L., Kintner-Meyer M. C. W. Electrochemical energy storage for green grid // Chem. Rev. 2011. V. 111. P. 3577–3613.
3. Peng B., Chen J. Functional materials with high-efficiency energy storage and conversion for batteries and fuel cells // Chem. Rev. 2009. V. 253. P. 2805–2813. DOI: 10.1016/j.ccr.2009.04.008.
4. Cheng F., Chen J. Metal-air batteries: from oxygen reduction electrochemistry to cathode catalysts // Chem. Soc. Rev. 2012. V. 41. P. 2172–2192. DOI 10.1039/C1CS15228A.
5. Mezalira D. Z., Bron M. High stability of low Pt loading high surface area electrocatalysts supported on functionalized carbon nanotubes // Journal of Power Sources. 2013. V. 231. P. 113–121. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.12.025.
6. Feng L., Suna X., Yao S., Liu C., Xing W., Zhang J. Electrocatalysts and catalyst layers for oxygen reduction reaction // Rotating Electrode Methods and Oxygen Reduction Electrocatalysts. 2014. P. 67–132. DOI: 10.1016/B978-0-444-63278-4.00003-3.
7. Gollasch M., Müller-Hülstede J., Schmies H., Schonvogel D., Wagner P., Dyck A., Wark M. Elucidating synergistic effects of different metal ratios in bimetallic Fe/Co-N-C catalysts for oxygen reduction reaction // Catalysts. 2021. V. 11. Art. № 841.
8. Bing Y., Liu H., Zhang L., Ghosh D., Zhang J. ChemInform Abstract Nanostructured Pt-Alloy Electrocatalysts for PEM Fuel Cell Oxygen Reduction Reaction // ChemInform. 2010. V. 39. P. 2184–2202.
9. Kong J., Cheng W. Recent advances in the rational design of electrocatalysts towards the oxygen reduction reaction // Chinese Journal of Catalysis. 2017. V. 38. P. 951–969. DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62801-8.
10. Корусенко П. М., Несов С. Н., Поворознюк С. Н., Болотов В. В., Князев Е. В., Пушкарев А. И., Смирнов Д. А. Модифицирование структуры многостенных углеродных нанотрубок с использованием непрерывного и импульсного ионных пучков // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 12. С. 2437–2444. DOI: 10.21883/FTT.2018.12.46773.126.
11. Reshetenko T., Odgaard M., Randolf G., Ohtaki K. K., Bradley J. P., Zulevi B., Lyu X., Cullen D. A., Jafta C. J., Serov A. et al. Design of PGM-free cathodic catalyst layers for advanced PEM fuel cells // Appl. Catal. 2022. V. B 312. Art. № 121424.