Iron-nitrogen containing carbon catalysts for oxygen reduction in fuel cells
Doctoral thesis, 2018
In this thesis, we designed and synthesized iron-chelating nitrogen-functionalized ordered mesoporous carbon (Fe-OMC) catalysts, active for ORR in PEM fuel cells. One focus of the work was to gain a deeper understanding about the operational mechanism of the active sites in the catalysts. Another focus was to evaluate the influence of some synthesis variables and gain new insight into the formation mechanism of the materials to thereby achieve more active catalysts. Several steps are covered in the thesis; synthesis of Fe-OMCs, physical characterization of the catalysts, structural investigation of the active sites, and electrochemical evaluation of the catalysts in a single cell PEM fuel cell. Characterization methods, such as N2-sorption, Raman, X-ray diffraction, and Small Angle X-ray scattering, were used to investigate the physical properties of the catalysts. Whereas, electron paramagnetic resonance(EPR) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopies were used to study the active sites and iron-nitrogen interactions in both the precursor mixtures and the final catalysts. In this thesis EPR spectroscopy was (for the first time) shown to be a useful method to study Fe-OMC (and possibly otherFe‑N/C) catalysts. It was shown that EPR spectroscopy can contribute with substantial information regarding the iron species, oxygen radicals, and delocalized electrons in the Fe-OMCs. Essential information about the iron species such as type, oxidation state, geometry and interaction with oxygen was obtained. Of more general importance, a number of crucial pretreatment steps of the EPR samples were identified and found necessary to employ prior to the measurements to obtain high quality EPR data.
Furthermore, additional information about the Fe-Nx chelate structures acting as catalytically active sites was successfully obtained by comparing catalysts prepared from precursors with different functional groups. The results confirmed that nitrogen is involved in the formation of active sites in the Fe-OMC catalysts. Iron-nitrogen interactions could be observed in the precursor mixing step of the catalyst preparation and were correlated to catalytic activities in the final catalysts. Synthesis parameters such as hydration state of the iron salt, precursor aging time, iron to N/C-precursor ratio, iron salt anion, were shown to influence the performance of the prepared catalysts. Finally, by modifying the precursor composition and employing an alternative template etch method, improvements of the mesoporous carbon properties were achieved.
With the results obtained, we made progress in the understanding and tuning of Fe-OMC catalysts. Even though the catalytic performance of these new noble metal-free catalysts is still inferior the commercial platinum-based catalysts, they seem to have potential to compete with them and hopefully, eventually replace them in applications for PEM fuel cells.
active site
mesoporous carbon
fuel cell
electron paramagnetic resonance
oxygen reduction reaction
cathode catalyst
non-precious metal catalyst
Author
Caroline Janson
Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry
Den här avhandlingen handlar om utveckling av nya, billiga och effektiva katalysatorer. Arbetet har gått ut på att designa och framställa nya material, så kallade Fe-OMCs, som kan aktivera syrereduktionen som sker på bränslecellens katod. En katalysator i en bränslecell kräver vissa egenskaper för att fungera effektivt. Katalysatorn ska innehålla aktiva säten (en plats där syrereduktionen kan ske), ha en stor gränsyta (för att få plats med så många aktiva säten som möjligt), vara elektriskt ledande (för att kunna transportera elektroner till det aktiva sätet som krävs för syrereduktionen), ha en porstruktur med rätt egenskaper (för att enkelt kunna transportera syre och väte till det aktiva sätet samt transportera bort vattnet som bildas), samt vara billiga och producerade från förnybara råvaror. Katalysatorn som vi framställer är inspirerad av molekylen porfyrin, som bland annat ingår i proteinet hemoglobin som sköter syretransporten till cellerna i kroppen. Precis som porfyrin-molekylen i hemoglobin, består våra katalysatorer av grundämnena järn, kväve och kol. Järnet fungerar som det aktiva sätet (som syre kan binda till) och är inbäddad in en porös kolmatris för att uppnå hög gränsyta och ledande egenskaper. Fe-OMC katalysatorn har stor potential att bli mycket billigare än platina, eftersom järn, kväve och kol är grundämnen som finns i stora mängder på vår planet.
En stor del av arbetet har gått ut på att utveckla en djupare förståelse för hur de aktiva sätena i katalysatorerna ser ut och fungerar. Det har vi gjort med en metod (elektron paramagnetisk resonansspektroskopi) som inte tidigare har använts inom området. Vi visar att denna metod kan vara till stor användning vid identifiering av de aktiva sätena. En annan del av arbetet har gått ut på att förenkla och utveckla framställningen av katalysatorerna. Med de erhållna resultaten bidrar vi med ny viktig kunskap som i framtiden kan göra framställningen av dessa material effektivare samt producera katalysatorer med högre aktivitet.
Subject Categories
Inorganic Chemistry
Materials Chemistry
Organic Chemistry
ISBN
978-91-7597-736-2
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4417
Publisher
Chalmers
KB
Opponent: Magnus Rønning, Norwegian University of Science and Technology, Norway