TU Darmstadt / ULB / TUprints

Developing a New Synthesis Strategy for Fe-N-C Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction in Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells

Kübler, Markus (2021):
Developing a New Synthesis Strategy for Fe-N-C Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction in Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017885,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text (pdf)
2021_05_18_Developing a new Synthesis Strategy for Fe-N-C Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction in Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells.pdf
Available under: CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution ShareAlike.

Download (10MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Developing a New Synthesis Strategy for Fe-N-C Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction in Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells
Language: English
Abstract:

Within this work, a new synthesis method for a Fe-N-C catalyst is developed. Fe-N-C catalysts are considered promising materials for the replacement of expensive Pt and catalyze the oxygen reduction reaction (ORR) on the cathode inside proton-exchange-membrane fuel cells (PEMFCs). This work briefly summarizes the standpoint of current PEMFC technology and provides a detailed overview on the to this day reported synthesis methods and applied precursors for Fe-N-C catalysts. One major concern with the synthesis of Fe-N-C catalysts is that for a high performance often complex precursors like porphyrins or zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) are used. These precursors are expensive or not well suited for a scale-up [1-3]. Here, a new method is presented which is based on a cheap and simple polypyrrole precursor which at the same time yields catalysts with a high fuel cell performance. Important parameters for the new preparation method are systematically investigated and useful insights, for instance on the influence of the iron salt precursor, a bimetallic iron and manganese approach, the heat-treatment temperature, or the effectiveness of the acid leaching, are presented. The final catalyst of this work is compared to the best-off performing Fe-N-C catalysts reported in literature. Further, the overall preparation method is briefly discussed with respect to its scale-up practicability by comparing the individual synthesis steps to the to this day commercially most advanced Fe-N-C catalysts.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Synthesemethode für einen Fe-N-C Katalysator. Fe-N-C Katalysatoren gelten als vielversprechende Alternativen zu den üblichen Platin-basierten Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion auf der Kathodenseite in Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC). Dazu stellt diese Arbeit zusammenfassend den momentanen Stand der PEMFC Technologie dar und befasst sich tiefer mit den bis heute bekannten Synthesemethoden und Präkursorenmischungen zur Herstellung von Fe-N-C Katalysatoren. Ein Hauptnachteil bei der Präperation von hochaktiven Fe-N-C Katalysatoren ist. dass diese oft auf komplexen Präkursoren wie Porphyrinen oder metallorganischen Gerüstverbindungen basieren. Diese Verbindungen sind kostenintensiv und problematisch bei der Umsetzung auf industrierelevante Ansatzgrößen [1-3]. In dieser Arbeit wird ein neues Verfahren basierend auf einem preiswerten und einfachen Polypyrrol Präkursor entwickelt. Für dieses Verfahren werden wichtige Syntheseparameter systematisch untersucht um Erkenntnisse zum Einfluss des Eisensalz-Präkursors, eines bimetallischen Eisen/Mangen Ansatzes, der Temperatur des Pyrolyseschrtittes oder des reinigenden Säureätzschrittes zu erlangen. Der nach dem neuen Verfahren hergestellte Katalysator wird zusammenfassend mit denen in der Literatur bekannten besten Fe-N-C Katalysatoren auf Leistung und der Möglichkeit auf Umsetzung in industrierelevante Ansatzgrößen verglichen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xx, 181, VIII Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Anorganische Chemie > Catalysts and Electrocatalysts
Date Deposited: 15 Dec 2021 13:35
Last Modified: 15 Dec 2021 13:35
DOI: 10.26083/tuprints-00017885
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-178853
Referees: Kramm, Prof. Dr. Ulrike I. ; Albert, Prof. Dr. Barbara
Date of oral examination: 5 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17885
PPN:
Export:
Actions (login required)
View Item View Item