ZIF-8-derived M-N-C electrocatalysts for oxygen reduction reaction in AEMFC and MFC devices

Abstract

Kasvava ülemaailmse energianõudlusega on kaasnenud vajadus üha enam vähendada fossiilkütuste kasutamist energia tootmiseks. Pikaajalise energiajulgeoleku ja dekarboniseerimise tagamiseks vajab maailm kiiremas korras efektiivseid energiamuundureid, nagu näiteks vesinikkütuseelemente, mis kasutavad kütusena vesinikku ja oksüdeerijana hapnikku. Siiski takistab kütuseelementide, eriti anioonivahetusmembraaniga kütuseelementide (AEMFC), kommertsialiseerimist hapniku redutseerumisreaktsiooni (ORR) aeglane kineetika. Hoolimata mitmetest uuendustest kütuseelementide disainis, on jäänud nende laialdasem levik ikkagi oodatust aeglasemaks. Seetõttu oli käesoleva doktoritöö eesmärk disainida metall-orgaanilistest võrgustikest valmistatud süsinikupõhiseid katalüsaatorid, mis suudaksid asendada kalleid plaatinapõhiseid analooge. Valmistatud materjalide struktuuri, poorsuse ja hapniku redutseerumise elektrokatalüüsi efektiivsuse uurimiseks kasutati füüsikalis-keemilisi ja elektrokeemilisi meetodeid. Valmistatud siirdemetallidega dopeeritud süsinikmaterjalidel põhinevad katoodid parandasid märkimisväärselt AEMFC ja mikroobse kütuseelemendi (MFC) jõudlust. Parima katalüsaatormaterjaliga saavutati AEMFC testis silmapaistev võimsustihedus >1 W cm⁻², tõestades, et plaatinavaba katoodkatalüsaatoriga töötava kõrge efektiivsusega AEMFC seadme valmistamine on täiesti teostatav. Seega pakub käesolev doktoritöö perspektiivset võimalust kallihinnalisest plaatinast sõltuvuse ületamiseks, tagades kättesaadava elektrokeemilise energiamuundamise tehnoloogia, mis suudaks täita igapäevaelu energianõudmisi. The growing global energy demand is increasingly displacing fossil fuels from energy chains. To ensure long-term energy security and deep decarbonization, the world urgently needs highly efficient energy devices, such as hydrogen fuel cells (HFCs), which utilise hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant. However, the sluggish oxygen reduction reaction (ORR) kinetics hinder the commercialisation of HFCs, especially anion-exchange membrane fuel cells (AEMFCs). Despite several innovations in fuel cell design, their widespread adoption still lags desired momentum. Therefore, the aim of the doctoral thesis was to design metal-organic framework-derived carbon-based catalysts capable of substituting for expensive platinum-based catalysts. A comprehensive set of physicochemical and electrochemical techniques was used to examine the structural integrity, pore architecture and ORR performance in a half-cell setup. When these designed transition-metal-doped carbon materials were integrated as cathode catalysts, they significantly enhanced the performance of AEMFCs and microbial fuel cells (MFCs). With the top-performing catalyst material, the AEMFC achieved an outstanding power density of >1 W cm⁻², demonstrating that a high-performance AEMFC device operating with a Pt-free cathode catalyst is entirely achievable. Therefore, this thesis presents a promising pathway to bypass platinum shortages, providing affordable electrochemical energy technology that could meet the energy demands of everyday life.