Non-precious metal catalysts based on biomass-derived carbon for electrocatalytic applications

Abstract

Tuule- ja päikeseenergia tootmise kasv ja katkendlik iseloom on toonud kaasa vajaduse tõhusate energia salvestamise ja muundamise tehnoloogiate järele, mille abil saaks tasandada elektri tootmise ja tarbimise vahelist ebakõla ning vältida suuri hinnakõikumisi. Lühiajaliseks energia salvestamiseks on otstarbekas kasutada akusid ning tsink-õhk-akud on paljulubav tehnoloogia, kuna need akud on liitiumakudega võrreldes odavamad ja ohutumad. Pikemaajaliseks energia salvestamiseks on võimalik taastuvenergiast elektrolüüsi teel toota vesinikku, mida saab seejärel kasutada kütuseelementides elektrienergia tootmiseks. Prootonivahetusmembraaniga kütuseelemendid on tänapäeval juba kasutusel, kuid viimased kümme aastat on palju tähelepanu pööratud ka anioonivahetusmembraaniga kütuseelementide arendamisele. Nii madalatemperatuursete kütuseelementide kui ka tsink-õhk akude laialdast kasutuselevõttu pärsib vajadus kasutada neis kalleid väärismetalle sisaldavaid katalüsaatoreid. Selle doktoritöö eesmärk oli arendada aktiivseid väärismetallivabu hapniku redutseerumise ja eraldumise elektrokatalüsaatoreid, mida saaks kasutada anioonivahetusmembraaniga kütuseelementide katoodimaterjalina ja tsink-õhk-aku õhuelektroodidel. Nanostruktuursetel süsinikmaterjalidel põhinevad katalüsaatorid sünteesiti, kasutades lähteainena glükoosi ja rapsikooki, ning neid iseloomustati põhjalikult nii elektrokeemiliste kui ka füüsikalis-keemiliste meetoditega. Doktoritöös saadud tulemused näitavad, et biomassist on võimalik valmistada väga aktiivseid hapniku redutseerumisreaktsiooni elektrokatalüsaatoreid, mis toimivad hästi nii anioonivahetusmembraaniga kütuseelemendi kui ka tsink-õhk-aku rakendustes. The growing impact of climate change and the strong dependence on fossil fuels are making it increasingly important to shift toward renewable and carbon-neutral energy sources. At the same time, the rapid growth of wind and solar energy production and their intermittent nature has intensified the demand for efficient energy storage and conversion technologies capable of balancing the fluctuations in energy prices. For short-term energy storage, batteries are a practical solution. Rechargeable zinc–air batteries are very promising because they are cheaper and safer than commonly used lithium batteries. For long-term energy storage, renewable electricity can be converted into hydrogen via electrolysis and subsequently used in fuel cells to generate electricity. While proton-exchange membrane fuel cell technology is mature and is already commercially available, increasing attention has been directed toward anion-exchange membrane fuel cells (AEMFCs) as a potentially more cost-effective alternative. However, a major obstacle for the widespread deployment of both low-temperature fuel cells and zinc–air batteries is the need for expensive platinum group metal (PGM)-based catalysts. The aim of this doctoral thesis was to develop efficient PGM-free electrocatalysts for oxygen reduction and evolution reaction and to use them as catalyst materials in AEMFCs and air electrode catalysts in rechargeable zinc–air batteries. Nanostructured carbon-based catalysts were synthesized using glucose and rapeseed press cake as precursor materials and were thoroughly characterized using a combination of electrochemical and physicochemical techniques. The results obtained in this PhD thesis demonstrate that biomass-derived precursors can be used to produce highly active electrocatalysts with excellent performance in both AEMFC and zinc–air battery devices, highlighting their potential for practical energy conversion and storage technologies