TAL MOF-derived M-N-C electrocatalysts for oxygen reduction and evolution reactions

Abstract

Üleminek taastuvenergiale nõuab tõhusaid ja taskukohaseid energiasalvestus- ja muundamistehnoloogiaid. Kütuseelemendid ja metall-õhk akud on paljulubavad lahendused, kuid need põhinevad hapnikuga seotud reaktsioonidel, mis vajavad praegu kallihinnalisi plaatinapõhiseid katalüsaatoreid. Käesolev doktoritöö keskendub uute, odavamate ja plaatinavabade katalüsaatorite arendamisele metall-orgaaniliste võrestike (MOF) baasil. Uurimistöö raames töötati välja uudne MOF-materjalide perekond nimega TAL (TalTech-UniTartu Alliance Laboratory), mis toimivad lähteainetena kõrge jõudlusega elektrokatalüsaatoritele. Varieerides metallisisaldust (koobalt, mangaan, tsink) ja sünteesitingimusi, saavutati materjalide struktuuri ja aktiivsuse peenreguleerimine. Katalüsaatormaterjalide füüsikalis-keemiliseks ja elektrokeemiliseks karakteriseerimiseks viidi läbi põhjalikud uuringud. Valmistatud katalüsaatorid näitasid suurepärast jõudlust nii kütuseelementides kui ka tsink-õhk akudes, pakkudes keskkonnasõbralikku alternatiivi väärismetallipõhistele materjalidele. Töö panustab uue põlvkonna puhta energia tehnoloogiate arengusse, pakkudes skaleeritavaid ja jätkusuutlikke materjale taastuvenergia rakenduste jaoks.

The global transition to renewable energy requires efficient and affordable energy storage and conversion systems. Fuel cells and metal–air batteries are promising solutions, but they rely on oxygen-related reactions that currently require expensive platinum-based catalysts. This doctoral thesis focuses on developing new, cost-effective, and platinum-free catalysts based on metal-organic frameworks (MOFs) for these critical reactions. The research introduces a novel family of MOF materials, called TAL (TalTech–UniTartu Alliance Laboratory), designed to serve as precursors for high-performance electrocatalysts. By adjusting the metal content (cobalt, manganese, zinc) and synthesis conditions, the structure and activity of catalysts were precisely tuned. A thorough physico-chemical and electrochemical characterization of the catalyst materials was carried out. The resulting materials showed excellent performance in fuel cells and zinc–air batteries, offering a sustainable alternative to traditional precious-metal catalysts. This work contributes to the development of next-generation energy technologies by providing scalable and environmentally friendly materials for clean energy applications.