Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) haben aufgrund ihrer hohen Umwandlungseffizienz, geringen Umweltverschmutzung und hohen spezifischen Energie große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und können in großem Umfang in Fahrzeugen wie Automobilen, Flugzeugen und stationären Kraftwerken eingesetzt werden.
Die kathodischen und anodischen elektrochemischen Katalyseprozesse bei der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bestehen hauptsächlich aus Einzelschritten wie Flüssigphasen-Massentransfer, Speziesadsorption und -desorption, Elektronentransfer und Oberflächentransformation, die an der Elektrodenschnittstelle nacheinander ablaufen.
Dies impliziert, dass die elektrochemische Katalyse ein komplexes System ist, das mehrere räumliche und zeitliche Skalen umfasst: Elektronentransfer auf der Quantenskala; aktive Zentren auf atomarer Ebene; die Dreiphasengrenze und der elektrokatalytische ORR-Mechanismus auf molekularer Ebene; Katalysator und Protonenleiter im Nanometerbereich; die katalytische Schicht und MEA im Mikrometermaßstab; und der Brennstoffzellenstapel im Metermaßstab.
Insbesondere könnte jede dieser Größenordnungen den elektrochemischen ORR-Prozess und die Zellleistung stark beeinflussen. Daher ist ein tiefes Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens in jedem Maßstab der Schlüssel zur deutlichen Verbesserung der elektrokatalytischen Leistung. Von den Skalen hat das Katalysatordesign im Nanometerbereich große Aufmerksamkeit erregt.
Kürzlich hat die Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Zidong Wei und Jing Li von der Universität Chongqing, China, die jüngsten Entwicklungen kohlenstoffbasierter ORR-Katalysatoren anhand des mechanistischen Verständnisses und der porösen Struktur dargelegt. Die Rezension wurde veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.
Die Entwicklung kohlenstoffbasierter Katalysatoren trägt aufgrund ihrer extrem hohen Kosteneffizienz zur großtechnischen Anwendung von Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien bei. Dieser Aufsatz fasste den Forschungsfortschritt bei kohlenstoffbasierten Katalysatoren im Hinblick auf die Herstellung aktiver Zentren, die Katalysatorstabilität und Strategien zur Bildung poröser Strukturen zusammen.
Dispersion und Dotierung auf atomarer Ebene sind die am häufigsten verwendeten Methoden zur Erzeugung aktiver Zentren in metallhaltigen Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis. Heteroatomare Dotierung ist eine gängige Strategie zur Herstellung aktiver Zentren in metallfreien Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis. Anschließend analysierten wir die Ursachen der Katalysatordeaktivierung und wie wir die Stabilität und Antivergiftungseigenschaften der Katalysatoren verbessern können.
Da die porösen Strukturen schließlich die Freilegung der aktiven Zentren und den Massentransfer erheblich beeinflussen, wurden die Auswirkungen der verschiedenen porösen Strukturen auf die ORR und die Herstellungsstrategien von mikro-, meso- und makroporösen Kohlenstoffmaterialien untersucht.
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Wenjing Zhang et al., Kohlenstoffbasierte Katalysatoren der Sauerstoffreduktionsreaktion: Mechanistisches Verständnis und poröse Strukturen, Chinesisches Journal für Katalyse (2023). DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64427-4