chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2023-18-5-461-470chemicallytech-1999Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF INORGANIC MATERIALSХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВReduction of hydrogen absorption into materials of membrane electrode assemblies in hydrogen generatorsСнижение наводораживания материалов мембранно-электродных блоков генераторов водородаhttps://orcid.org/0000-0003-0637-1745ЛебедеваМ. В.LebedevaM. V.

Лебедева Марина Владимировна - кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии им. Я.К. Сыркина Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова. Scopus ID 57197593059, Research ID P-3661-2017.

119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Marina V. Lebedeva - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Ya.K. Syrkin Department of Physical Chemistry, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies. Scopus ID 57197593059, Research ID P-3661-2017.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

lebedevamv2030@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8256-1941РагуткинА. В.RagutkinA. V.

Рагуткин Александр Викторович - кандидат технических наук, проректор по инновационному развитию. Scopus ID 56871217700.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Alexander V. Ragutkin - Cand. Sci. (Eng.), Vice-Rector for Innovative Development. Scopus ID 56871217700.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

ragutkin@mirea.ruСидоровИ. М.SidorovI. M.

Сидоров Иван Михайлович - кандидат технических наук, начальник отдела разработки ИТ-решений Инжинирингового центра мобильных решений.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Ivan M. Sidorov - Cand. Sci. (Eng.), Head of the IT Solutions Development Department of the Mobile Solutions Engineering Center.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

sidorov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7709-4186ЯштуловН. А.YashtulovN. A.

Яштулов Николай Андреевич - доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой наноразмерных систем и поверхностных явлений им. С.С. Воюцкого Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова. Scopus ID 6507694451, Research ID U-8825-2017.

119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Nikolay A. Yashtulov - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the S.S. Voyutsky Department of Nanoscale Systems and Surface Phenomena, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies. . Scopus ID 6507694451, Research ID U-8825-2017.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

yashtulovna@mail.ruМИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. ЛомоносоваРоссияMIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation202327112023185461470Copyright © Lebedeva M.V., Ragutkin A.V., Sidorov I.M., Yashtulov N.A., 20232023Лебедева М.В., Рагуткин А.В., Сидоров И.М., Яштулов Н.А.Lebedeva M.V., Ragutkin A.V., Sidorov I.M., Yashtulov N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1999Objectives

Objectives. To investigate the possibility of preventing hydrogen absorption into the functional structural materials of hydrogen-generating membrane electrode assemblies based on porous nickel, carbon black, and reduced graphene oxide with platinum–nickel and palladium–nickel nanoparticles.

Methods

Methods. The hydrogen absorption into materials of membrane electrode assemblies of alkaline electrolyzers was evaluated using an electrolyzer with variable temperature, reagent feed rate, and gas content.

Results

Results. The study established the need to use reduced graphene oxide, in order to reduce hydrogen absorption and degradation of hydrogen-generating membrane electrode assemblies.

Conclusions

Conclusions. The service life test results and performance of the designed variants of prototypes of membrane electrode assemblies with nanostructured electrodes based on reduced graphene oxide, preventing hydrogen absorption into functional materials and their degradation, demonstrated the creation of hydrogen generators with high energy efficiency shows potential.

Цели

Цели. Исследование возможности предотвращения наводораживания функциональных конструкционных материалов мембранно-электродных блоков генерации водорода на основе пористого никеля, сажи и восстановленного оксида графена, модифицированных наночастицами платина-никель и палладий-никель.

Методы

Методы. Для оценки степени наводораживания материалов мембранно-электродных блоков щелочных электролизеров была использована установка электролизера с возможностью контроля температуры, скорости подачи реагентов и содержания газов.

Результаты

Результаты. Обоснована необходимость применения восстановленного оксида графена с целью снижения наводораживания и деградации мембранно-электродных блоков генерации водорода.

Выводы

Выводы. Результаты ресурсных испытаний и рабочие характеристики сконструированных вариантов макетов мембранно-электродных блоков с наноструктурированными электродами на основе восстановленного оксида графена, нивелирующие наводораживание и деградацию функциональных материалов, демонстрируют перспективность конструирования генераторов водорода с высокой энергоэффективностью.

генерация водороданаводораживание металловмембранноэлектродные блокинанокомпозитные электродывосстановленный оксид графенаэнергоэффективностьhydrogen generationhydrogen absorption into metalsmembrane electrode assembliesnanocomposite electrodesreduced graphene oxideenergy efficiencyРабота выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования РТУ МИРЭА.Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Государственного задания Российской Федерации № FSFZ-2023-0003The work was carried out using the equipment of the RTU MIREA Central Research Center. The work was financially supported by the grant of the State Task of the Russian Federation № FSFZ-2023-0003ReferencesBurton N.A., Padilla R.V., Rose A., Habibullah H. Increasing the efficiency of hydrogen production from solar powered water electrolysis. Renew. Sust. Energ. Rev. 2021;135:110255. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110255Burton N.A., Padilla R.V., Rose A., Habibullah H. Increasing the efficiency of hydrogen production from solar powered water electrolysis. Renew. Sust. Energ. Rev. 2021;135:110255. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110255Антропов А.П., Рагуткин А.В., Лебедевa М.В., Яштулов Н.А. Нанокомпозитные микромощные альтернативные источники энергии для электронной техники. Теплоэнергетика. 2021;68(1):21–29. https://doi.org/10.1134/s0040363621010100Antropov A.P., Ragutkin A.V., Lebedeva M.V., Yashtulov N.A. Nanocomposite micro-power alternative power energy sources for electronic technology. Therm. Eng. 2021;68(1):17–24. https://doi.org/10.1134/S0040601521010109 [Original Russian Text: Antropov A.P., Ragutkin A.V., Lebedeva M.V., Yashtulov N.A. Nanocomposite micropower alternative power energy sources for electronic technology. Teploenergetika. 2021;68(1):21–29 (in Russ.). https://doi.org/10.1134/S0040363621010100 ]Zeng K., Zhang D. Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. Prog. Energy Combust. Sci. 2010;36(3):307–326. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2009.11.002Zeng K., Zhang D. Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. Prog. Energy Combust. Sci. 2010;36(3):307–326. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2009.11.002Haverkort J.W., Rajaei H. Electro-osmotic flow and the limiting current in alkaline water electrolysis. J. Power Sources Adv. 2020;6:100034. https://doi.org/10.1016/j.powera.2020.100034Haverkort J.W., Rajaei H. Electro-osmotic flow and the limiting current in alkaline water electrolysis. J. Power Sources Adv. 2020;6:100034. https://doi.org/10.1016/j.powera.2020.100034Smirnov S.E., Yashtulov N.A., Putsylov I.А., Smirnov S.S., Lebedeva M.V. Polysulfone Copolymer as Polymer Electrolyte for Alkaline Fuel Cell and Li-Ion Battery Applications. J. Eng. Appl. Sci. 2019;14(9):2928–2935. https://doi.org/10.36478/jeasci.2019.2928.2935Smirnov S.E., Yashtulov N.A., Putsylov I.А., Smirnov S.S., Lebedeva M.V. Polysulfone Copolymer as Polymer Electrolyte for Alkaline Fuel Cell and Li-Ion Battery Applications. J. Eng. Appl. Sci. 2019;14(9):2928–2935. https://doi.org/10.36478/jeasci.2019.2928.2935Yashtulov N.A., Lebedeva M.V., Patrikeev L.N., Zaitcev N.K. New polymer-graphene nanocomposite electrodes with platinum-palladium nanoparticles for chemical power sources. eXPRESS Polym. Lett. 2019;13(8):739–748. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2019.62Yashtulov N.A., Lebedeva M.V., Patrikeev L.N., Zaitcev N.K. New polymer-graphene nanocomposite electrodes with platinum-palladium nanoparticles for chemical power sources. eXPRESS Polym. Lett. 2019;13(8):739–748. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2019.62Яштулов Н.А., Лебедева М.В. Водородная энергетика возобновляемых источников тока. Russian Technological Journal. 2017;5(3):58–73. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-3-58-73Yashtulov N.A., Lebedeva M.V. Hydrogen energy renewable current sources. Russ. Technol. J. 2017;5(3):58–73 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-3-58-73Спиридонов Н.В., Ивашко В.С., Кудина А.В., Кураш В.В. Наводороживание и разрушение структуры стальных деталей машин и механизмов в водородсодержащих средах. Наука и техника. 2014;(2):72–77.Spiridonov N.V., Ivashko V.S., Kudina A.V., Kurash V.V. Hydrogen absorption and structure destruction of machinery and mechanism steel parts in hydrogen-containing medium. Nauka i tekhnika = Science & Technique. 2014;(2):72–77 (in Russ.).Delvaux A., Lumbeeck G., Idrissi H., Proost J. Effect of microstructure and internal stress on hydrogen absorption into Ni thin film electrodes during alkaline water electrolysis. Electrochimica Acta. 2020;340:135970. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.135970Delvaux A., Lumbeeck G., Idrissi H., Proost J. Effect of microstructure and internal stress on hydrogen absorption into Ni thin film electrodes during alkaline water electrolysis. Electrochimica Acta. 2020;340:135970. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.135970Jiang X.G., Zhang Y.P., Song C., Xie Y.C., Liu T.K., Deng C.M., Zhang N.N. Performance of nickel electrode for alkaline water electrolysis prepared by high pressure cold spray. Int. J. Hydrogen Energy. 2020;45(58):33007–33015. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.022Jiang X.G., Zhang Y.P., Song C., Xie Y.C., Liu T.K., Deng C.M., Zhang N.N. Performance of nickel electrode for alkaline water electrolysis prepared by high pressure cold spray. Int. J. Hydrogen Energy. 2020;45(58):33007–33015. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.022Mayerhöfer B., McLaughlin D., Böhm T., Hegelheimer M., Seeberger D., Thiele S. Bipolar Membrane Electrode Assemblies for Water Electrolysis. ACS Appl. Energy Mater. 2020;3(10):9635–9644. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01127Mayerhöfer B., McLaughlin D., Böhm T., Hegelheimer M., Seeberger D., Thiele S. Bipolar Membrane Electrode Assemblies for Water Electrolysis. ACS Appl. Energy Mater. 2020;3(10):9635–9644. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01127Liu Z., Sajjad S.D., Gao Y., Yang H., Kaczur J.J., Masel R.I. The effect of membrane on an alkaline water electrolyzer. Int. J. Hydrogen Energy. 2017;42(50):29661–29665. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.10.050Liu Z., Sajjad S.D., Gao Y., Yang H., Kaczur J.J., Masel R.I. The effect of membrane on an alkaline water electrolyzer. Int. J. Hydrogen Energy. 2017;42(50):29661–29665. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.10.050López-Fernández E., Gil-Rostra J., Espinós J.P., González-Elipe A.R., de Lucas Consuegra A., Yubero F. Chemistry and Electrocatalytic Activity of Nanostructured Nickel Electrodes for Water Electrolysis. ACS Catal. 2020;10(11):6159–6170. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00856López-Fernández E., Gil-Rostra J., Espinós J.P., González-Elipe A.R., de Lucas Consuegra A., Yubero F. Chemistry and Electrocatalytic Activity of Nanostructured Nickel Electrodes for Water Electrolysis. ACS Catal. 2020;10(11):6159–6170. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00856Koj M., Qian J., Turek T. Novel alkaline water electrolysis with nickel-iron gas diffusion electrode for oxygen evolution. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44(57):29862–29875. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.122Koj M., Qian J., Turek T. Novel alkaline water electrolysis with nickel-iron gas diffusion electrode for oxygen evolution. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44(57):29862–29875. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.122Le Formal F., Yerly L., Potapova Mensi E., Da Costa X.P., Boudoire F., Guijarro N., Spodaryk M., Züttel A., Sivula K. Influence of Composition on Performance in Metallic Iron–Nickel–Cobalt Ternary Anodes for Alkaline Water Electrolysis. ACS Catal. 2020;10(20):12139–12147. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03523Le Formal F., Yerly L., Potapova Mensi E., Da Costa X.P., Boudoire F., Guijarro N., Spodaryk M., Züttel A., Sivula K. Influence of Composition on Performance in Metallic Iron–Nickel–Cobalt Ternary Anodes for Alkaline Water Electrolysis. ACS Catal. 2020;10(20):12139–12147. https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03523Rauscher T., Bernäcker C.I., Mühle U., Kieback B., Röntzsch L. The effect of Fe as constituent in Ni-base alloys on the oxygen evolution reaction in alkaline solutions at high current densities. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44(13):6392–6402. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.182Rauscher T., Bernäcker C.I., Mühle U., Kieback B., Röntzsch L. The effect of Fe as constituent in Ni-base alloys on the oxygen evolution reaction in alkaline solutions at high current densities. Int. J. Hydrogen Energy. 2019;44(13):6392–6402. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.182Яштулов Н.А., Рагуткин А.В., Лебедева М.В., Смирнов С.С. Функциональные характеристики электродов на основе пористого кремния для микромощных источников тока. Цветные металлы. 2017;(5):58–63. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.05.09Yashtulov N.A., Ragutkin A.V., Lebedeva M.V., Smirnov S.S. Functional characteristics of electrode materials based on porous silicon for micro-power current sources. Tsvetnye Metally. 2017;(5):58–63 (in Russ.). https://doi.org/10.17580/tsm.2017.05.09Wang S., Zou X., Lu Y., Rao S., Xie X., Pang Z. Electrodeposition of nano-nickel in deep eutectic solvents for hydrogen evolution reaction in alkaline solution. Int. J. Hydrogen Energy. 2018;43(33):15673–15686. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.188Wang S., Zou X., Lu Y., Rao S., Xie X., Pang Z. Electrodeposition of nano-nickel in deep eutectic solvents for hydrogen evolution reaction in alkaline solution. Int. J. Hydrogen Energy. 2018;43(33):15673–15686. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.188Kraglund M.R., Aili D., Jankova K., Christensen E., Li Q., Jensen J.O. Zero-gap alkaline water electrolysis using ion-solvating polymer electrolyte membranes at reduced KOH concentrations. J. Electrochem. Soc. 2016;163(11):F3125. https://doi.org/10.1149/2.0161611jesKraglund M.R., Aili D., Jankova K., Christensen E., Li Q., Jensen J.O. Zero-gap alkaline water electrolysis using ion-solvating polymer electrolyte membranes at reduced KOH concentrations. J. Electrochem. Soc. 2016;163(11):F3125. https://doi.org/10.1149/2.0161611jesSulka G.D., Brzozka A., Liu L. Fabrication of diametermodulated and ultrathin porous nanowires in anodic aluminum oxide templates. Electrochimica Acta. 2011;56(14):4972–4979. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.03.126Sulka G.D., Brzozka A., Liu L. Fabrication of diametermodulated and ultrathin porous nanowires in anodic aluminum oxide templates. Electrochimica Acta. 2011;56(14):4972–4979. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.03.126Антропов А.П., Зайцев Н.К., Рябков Е.Д., Яштулов Н.А., Мудракова П.Н. Химико-технологический подход к созданию нановорсистых (ультрадисперсных) каталитически активных материалов. Тонкие химические технологии. 2021;16(2):105–112. https://doi.org/10.32362/24106593-2021-16-2-105-112Antropov A.P., Zaitsev N.K., Ryabkov E.D., Yashtulov N.A., Mudrakova P.N. Manufacturing of nanopillar (ultra-dispersed) catalytically active materials through chemical engineering. Tonk. Khim. Technol. = Fine Chem. Technol. 2021;16(2):105–112 https://doi.org/10.32362/2410-6593-2021-16-2-105-112Лебедева М.В., Антропов А.П., Рагуткин А.В., Зайцев Н.К., Яштулов Н.А. Разработка электродных наноматериалов для щелочного электролиза воды. Теор. основы хим. технологии. 2021;55(5):642–651. https://doi.org/10.31857/S0040357121050079Lebedeva M.V., Antropov A.P., Ragutkin A.V., Zaitsev N.K., Yashtulov N.A. Development of electrode nanomaterials for alkaline water electrolysis. Theor. Found. Chem. Eng. 2021;55(5):952–961. https://doi.org/10.1134/S0040579521050262 [Original Russian Text: Lebedeva M.V., Antropov A.P., Ragutkin A.V., Zaitsev N.K., Yashtulov N.A. Development of electrode nanomaterials for alkaline water electrolysis. Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii. 2021;55(5):642–651 (in Russ.). https://doi.org/10.31857/s0040357121050079 ]Ставровский М.Е., Сидоров М.И., Албагачиев А.Ю., Рагуткин А.В., Лукашев П.Е. О роли водорода в процессах разрушения материалов. М.: Эко-Пресс; 2020. 208 с. ISBN 978-5-6044018-7-3Stavrovskii M.E., Sidorov M.I., Albagachiev A.Yu., Ragutkin A.V., Lukashev P.E. O roli vodoroda v protsessakh razrusheniya materialov (On the Role of Hydrogen in the Processes of Destruction of Materials). Moscow: Eko-Press; 2020. 208 p. (in Russ.). ISBN 978-5-6044018-7-3Лукашев E.А., Ставровский М.Е., Сидоров М.И., Емельянов С.Г., Посеренин С.П. Модель топохимической кинетики взаимодействия материалов. Известия ЮгоЗападного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016;2(19):9–20.Lukashev E.A., Stavrovskii M.E., Sidorov M.I., Emelyanov S.G., Poserenin S.P. Model of topochemical kinetics of interaction of materials. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2016;2(19):9–20 (in Russ.).Vagin A.V., Sidorov M.I., Albagachiev A.Y., Stavrovskii M.E. Improving the life of artillery systems. Russ. Engin. Res. 2017;37(3):211–217. https://doi.org/10.3103/s1068798X17030212Vagin A.V., Sidorov M.I., Albagachiev A.Y., Stavrovskii M.E. Improving the life of artillery systems. Russ. Engin. Res. 2017;37(3):211–217. https://doi.org/10.3103/s1068798X17030212Лебедева М.В., Антропов А.П., Рагуткин А.В., Яштулов Н.А. Платиновые наноэлектрокатализаторы для водородно-воздушных источников энергии. Computational Nanotechnology. 2020;7(1):26–29. https://doi.org/10.33693/2313223X-2020-7-1-26-29Lebedeva M.V., Antropov A.P., Ragutkin A.V., Yashtulov N.A. Platinum nanoelectrocatalysts for hydrogen-air energy sources. Computational Nanotechnology. 2020;7(1):26–29 (in Russ.). https://doi.org/10.33693/2313-223X-2020-7-1-26-29Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. СПб.: Лань; 2015. 672 с. ISBN 978-5-81141878-7Damaskin B.B., Petri O.A., Cirlina G.A. Elektrokhimiya (Electrochemistry). St. Petersburg: Lan; 2015. 672 p. (in Russ.). ISBN 978-5-8114-1878-7Krylova K.A., Baimova J.A., Mulyukov R.R. Effect of deformation on dehydrogenation mechanisms of crumpled graphene: molecular dynamics simulation. Lett. Mater. 2019;9(1):81–85. https://doi.org/10.22226/2410-3535-20191-81-85Krylova K.A., Baimova J.A., Mulyukov R.R. Effect of deformation on dehydrogenation mechanisms of crumpled graphene: molecular dynamics simulation. Lett. Mater. 2019;9(1):81–85. https://doi.org/10.22226/2410-3535-20191-81-85Chuah C.Y., Lee J., Bae T.-H. Graphene-based Membranes for H2 Separation: Recent Progress and Future Perspective. Membranes. 2020;10(11):336. https://doi.org/10.3390/membranes10110336Chuah C.Y., Lee J., Bae T.-H. Graphene-based Membranes for H2 Separation: Recent Progress and Future Perspective. Membranes. 2020;10(11):336. https://doi.org/10.3390/membranes10110336

The authors declare that there are no conflicts of interest present.