Kohlenstoffbasierte Träger für die Elektrokatalyse unter industriell relevanten Bedingungen

Kohlenstoffmaterialien sind aufgrund ihrer geeigneten physikalisch-chemischen Eigenschaften wie großer Oberfläche, anpassbarer Porenstruktur, variabler Morphologie und multifunktionaler Oberflächeneigenschaften aufgrund chemischer Modifikationen, geringer Kosten und einfacher Herstellung aus verschiedenen Vorläufern ideale Trägermaterialien für funktionelle Metallkomponenten .

Insbesondere in elektrochemischen Systemen (z. B. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE)) spielen Kohlenstoffmaterialien eine wichtige Rolle, da sie als leitfähige Träger für aktive Metallkomponenten dienen können.

In der schnell wachsenden Literatur auf dem Gebiet der Elektrokatalyse konzentrieren sich die meisten Studien jedoch typischerweise auf funktionelle Metall- oder Metalloxidkomponenten, die von kommerziellem Kohlenstoff getragen werden. Der Rolle von Kohlenstoffmaterialien als Träger und ihrem Einfluss auf die katalytische Leistung wurde nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt, was mehr Forschungsanstrengungen sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie erfordert.

Diese Rezension, veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft China Chemiewurde von Prof. Wei Lin (SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing) und Prof. Lichen Liu (Department of Chemistry, Tsinghua University) geleitet.

Prof. Wei Lin und Prof. Lichen Liu versuchten, sich dem Thema aus industrieller Perspektive zu nähern und diskutierten Schlüsselparameter, die direkt gemessen oder in Experimenten untersucht werden können, um die Beziehung zwischen Synthese, Struktur und Leistung aufzudecken.

Der Aufsatz stellt systematisch die Anwendung von Kohlenstoffträgermaterialien im elektrochemischen Bereich unter industriell relevanten Bedingungen sowie die bestehenden Herausforderungen und zukünftigen Durchbruchrichtungen unter sechs Aspekten vor und erklärt sie: elektrochemische Leitfähigkeit, chemische Zusammensetzung, Stabilität unter industriellen Bedingungen, Stofftransfer, Massensynthese und Vertieftes Verständnis.

Basierend auf ihrem Wissen und ihrer Erfahrung aus industriellen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten schlagen die Autoren schließlich die folgenden kritischen Standards vor, die Kohlenstoffträger in praktischen elektrokatalytischen Geräten erfüllen müssen: (1) spezifische Oberfläche > 60 m²/g; (2) elektrischer Widerstand <2,5 Ω·m; (3) primäre Kohlenstoffpartikelgröße < 50 nm; (4) Recyclingfähigkeit über 5000 Zyklen (bei 1,0–1,5 V); (5) Kosten unter 4000 $/Tonne.

Insbesondere schlagen die Autoren auch eine Primärkohlenstoffpartikelgröße von < 50 nm vor, da kleinere Partikel die Leitfähigkeit und Viskosität verbessern, die Witterungsbeständigkeit verbessern, eine bessere Verstärkung bieten und die Zugfestigkeit und Abriebfestigkeit erhöhen können. Darüber hinaus korreliert eine kleinere Partikelgröße mit einer größeren spezifischen Oberfläche, was eine dichte Platinbeladung und den Aufbau dünner Katalysatorschichten erleichtert.

Diese Schlüsselindikatoren können als Leitparameter für die Entwicklung fortschrittlicher Kohlenstoffträger für PEMFC- und PEMWE-Geräte dienen. Der Erstautor des Papiers ist Dr. Xue Yang vom Sinopec Research Institute of Petroleum Processing.