有効なFe-NxサイトをFe-N/C電気触媒で効率的な酸素還元反応のために形成する一般的なアプローチ
Young Jin Sa, Dong-Jun Seo1, Jinwoo Woo
1Hydrogen and Fuel Cell Center, Korea Institute of Energy Research (KIER) , Jellabuk-do 56332, Republic of Korea.
新しいシリカアシストメソッドは,活性部位を強化し,非活性粒子を抑制することによって,炭素 (Fe-N/C) 触媒に鉄-窒素を強化します. これは燃料電池の優れた性能につながり,非貴金属触媒の新記録を樹立しました.
科学分野:
- 材料科学
- 電気化学
- カタリシス
背景:
- 鉄・窒素・炭素 (Fe-N/C) 触媒は,酸素還元反応 (ORR) の有望な非貴金属触媒である.
- Fe-N/C合成に共通する高温溶解は,活性なFe-Nxサイトと非活性な大きな鉄粒子の両方を生成します.
- 非活性粒子を最小限に抑えながら活性サイト形成を制御することは,高性能のFe-N/C触媒にとって極めて重要です.
研究 の 目的:
- 活性Fe-Nx部位の高密度を持つFe-N/C触媒を合成するための一般的な方法を開発する.
- 高温溶解中の大きな鉄基粒子の形成を抑制する.
- アルカリアニオン交換膜燃料電池 (AEMFC) と陽子交換膜燃料電池 (PEMFC) で合成された触媒の性能を評価する.
主な方法:
- 炭素ナノチューブ (CNT) の上での鉄ポルフィリン前駆体吸収,シリカコーティング,高温溶解,シリカエッチングを含む"シリカ保護層支援"アプローチ.
- Fe-Nx 部位の安定化を研究するために,温度制御された in situ X線吸収スペクトロスコーピー (XAS).
- AEMFCおよびPEMFCでポルフィリン炭素 (CNT/PC) 触媒でコーティングされた合成CNTの電気化学試験.
主要な成果:
- シリカ保護層は,熱分解中にFe-N4部位を安定させ,シリカコーティングなしで調製された触媒と比較して活性Fe-Nx部位の密度が高くなった.
- CNT/PC触媒は高ORR活性とアルカリ環境での優れた安定性を示した.
- CNT/PCカトドのAEMFCは,NPMCベースのAEMFCの中で記録的な高電流と電力密度を達成しました.
- CNT/PCベースのカトッドは,酸性PEMFCで高体積電流密度を示した.
結論:
- シリカ保護層を助成する方法は,高性能のFe-N/C触媒を準備するための一般的で効果的な戦略です.
- このアプローチは,不活性な粒子の形成を抑制しながら,活性なFe-Nxサイトの好ましい生成を可能にします.
- 開発された触媒は,アルカリ性燃料電池と酸性燃料電池の両方で,エネルギー変換効率を向上させる大きな可能性を示しています.
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