Functionalized mesoporous carbons as non-precious metal fuel cell catalysts
Doktorsavhandling, 2016

Fuel cells allow for clean and efficient chemical to electrical energy conversion. However, their high price significantly limits the market viability of the technology. This is to a large part due to the high cost of the precious metals used in most fuel cell catalysts. Therefore development of new, cost efficient, highly active and durable catalyst materials is necessary in order to make fuel cells competitive. In this work a new synthesis approach for cost efficient non-precious metal (NPM) catalysts for oxygen reduction in a proton exchange membrane fuel cell is developed. The catalysts were synthesised via a silica template synthesis route for highly ordered mesoporous carbons. The use of nitrogen-containing carbon precursors in combination with transition metal salts resulted in the formation of active sites bound to the electronically conducting and mesoporous carbon matrix. Advantages of this synthesis approach are the high specific surface area of the resulting NPM material and the high tunability of the synthesis route. Detailed studies of the nature and local atomic structure of the active site in the new NPM catalysts were performed. Additionally a literature study of the state of NPM catalyst research in general was conducted and several key areas for improvements were identified. These included open questions regarding the active site in NPM catalysts and the need for NPM catalysts with improved mass transport properties. Finally, we demonstrate that the mass transport in the NPM catalysts developed here can be enhanced very efficiently by changes of the NPM catalyst mesostructure. Electrochemical evaluation of the NPM catalysts was done in a single cell fuel cell setup. Catalytic activity, mass transport properties and degradation behaviour were studied. Results showed that the developed catalysts reach an activity performance about 1/3 of commercial high platinum loaded catalysts tested under the same conditions. Catalyst stability and degradation were tested for several hundred hours showing promising durability performance. The results presented here illustrate that it is possible to synthesize metal-chelating ordered mesoporous carbon NPM catalysts in a one-pot approach. It was also shown that it is possible to vary the material structure on the mesoscale without disturbing the atomic-scale active site structure. This allows for efficient tuning of the surface area and pore volume of the catalyst.

electrocatalysis

oxygen reduction reaction

non-precious metal catalyst

mesoporous carbon

fuel cell

X-ray absorption spectroscopy

KB-salen, Kemigården 4, Chalmers
Opponent: Professor Piotr Zelenay, Los Alamos National Laboratoy, USA

Författare

Johanna Dombrovskis

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi, Teknisk ytkemi

The Active Site Structure of Transition Metal Ion-Chelating Ordered Mesoporous Carbon Fuel Cell Catalysts

Fuel Cells,; Vol. 16(2016)p. 23-31

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Transition Metal Ion-Chelating Ordered Mesoporous Carbons as Noble Metal-Free Fuel Cell Catalysts

Chemistry of Materials,; Vol. 25(2013)p. 856-861

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Dombrovskis, J.K., Janson, C., Palmqvist, A.E.C., Influence of Iron Precursor Hydration State on Performance of Non-Precious Metal Fuel Cell Catalysts

Dombrovskis, J.K., Palmqvist, A.E.C., One-Pot Synthesis of Transition Metal Ion-Chelating Ordered Mesoporous Carbon/ Carbon Nanotube Composites with High Activity and Durability as Fuel Cell Catalysts

Bränsleceller omvandlar kemisk energi till elektricitet med mycket hög verkningsgrad. I en värld där hållbar utvekling spelar en allt större roll blir förnybara energikällor allt viktigare. En stor utmaning med förnybara energikällor som till exempel sol- och vindenergi är deras ojämna energiproduktion. Effektiva sätt att lagra och omvandla energi är därför oumbärliga för de nya energikällornas framgång. Bränslecellsteknologin med sin höga verkningsgrad skulle kunna vara en av de främsta teknologier i detta sammanhang om de skulle vara billigare att tillverka. Idag används dyra ädelmetaller som platina som katalysatormaterial i bränsleceller. Det har stor del i bränslecellernas höga pris.

I detta arbete har fokus varit på att utveckla nya katalysatormaterial för bränsleceller. Det ställs många krav på dessa material. De katalysatormaterial som beskrivs här är avsedda för reduktionsreaktionen av syre vid bränslecellskatoden. Utöver den egentliga reduktionsreaktionen krävs att materialet är en elektrisk ledare, har en stor gränsyta mot andra bränslecellskomponenter, en bra vätske- och gastransport genom materialet och att de är billiga. De material som utvecklats här har stor ytarea och innehåller inga ädelmetaller utan är baserade på mesoporöst kol och övergångsmetaller. Dessa material har potential att vara flera gånger billigare än de katalysatormaterial som användas idag.

Resultatet av arbetet omfattar syntes av nya katalysatormaterial med hög katalytisk aktivitet och bra stabilitet. Den elektrokemiska utvärderingen tillsammans med spektroskopiska mätningar används för att förstå sambanden mellan katalytisk aktivitet och materialens mikro‑, nano- och atomstruktur. Denna kunskap har sedan använts för att ytterligare förbättra katalysatormaterialens egenskaper.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Energi

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Kemiska processer

Annan kemiteknik

Annan kemi

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

ISBN

978-91-7597-488-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4169

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB-salen, Kemigården 4, Chalmers

Opponent: Professor Piotr Zelenay, Los Alamos National Laboratoy, USA