"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8267
ETF8267 "Mikropoorsele süsinikkandjale kantud mitte väärismetall katalüsaatorid polümeer-elektrolüüt-membraan kütuseelementides (1.01.2010−31.12.2013)", Jaak Nerut, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Keemia Instituut.
ETF8267
Mikropoorsele süsinikkandjale kantud mitte väärismetall katalüsaatorid polümeer-elektrolüüt-membraan kütuseelementides
Microporous carbon supported non-noble metal catalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells
1.01.2010
31.12.2013
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.11. Keemia ja keemiatehnikaP401 Elektrokeemia 1.3. Keemiateadused (keemia ja muud seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2010−31.12.2010216 000,00 EEK (13 804,92 EUR)
01.01.2011−31.12.201113 804,80 EUR
01.01.2012−31.12.201213 804,80 EUR
01.01.2013−31.12.201313 804,80 EUR
55 219,32 EUR

Kütuseelemendid (FC) muundavad väga kõrge efektiivusega ja peaaegu keskkonda saastamata keemilise energia otse elektri- ja soojusenergiaks. Arendatavatest FC-dest peetakse kõige paremaks elektriautode energiaallika kandidaadiks polümeer-elektrolüüt-membraan kütuseelementi (PEMFC). Selleks et PEMFC oleksid majanduslikult tasuvad, peab oluliselt vähenema PEMFC kasutatavate katalüsaatorite hind, mille suurus on peamiselt tingitud plaatina ja plaatinal põhinevate katalüsaatorite kasutamisest. Madalatemperatuurse PEMFC edasi arendamise põhiprobleemiks on elektroodi katalüsaatori kihis väärismetalli hulga vähendamine või väljavahetamine mitte-väärismetalliga. Tänapäeval koosneb tüüpiline PEMFC katalüsaator mikromesopoorse süsiniku (MMPC) pooridesse sadestatud väärismetalli või väärismetalli sulami (Pt|Ru) nanoosakestest. Enamikel juhtudel on võimalik saavutada katalüsaatori hulga vähenemist suurendades aktiivse metallkatalüsaatori pinna osa, mis asub vahetult MMPC pinnal. Projekti raames sünteesitakse hapniku redutseerimiseks (ORR) uus PEMFC katoodi materjal, mille parameetreid hilisema töö käigus optimeeritakse. Karbiididest sünteesitud süsinikke (CDC) kasutatakse katoodi kandjatena. Katalüsaatori aktiivsetsentri metalli lähteallikana kasutatakse mitte-väärismetallide (raud ja koobalt) soolasid ja lämmastiku allikaks on ammoniaak. Katalüsaatori kuumutamine tagab ajalise stabiilsuse PEMFC happelises keskkonnas. Väga täpse poori jaotusega CDC pole kunagi varem kasutatud PEMFC süsinikkandjana. CDC valmistatakse binaarsete karbiidide kloreerimisel. Erinevate karbiidide kasutamine ja sünteesi tingimuste (temperatuuri, kuumutamise aja, gaasi koostise) varieerimine tagab, et süsinikkandja mikropoorsust ? PEMFC efektiivsuse võtmetegur ? on võimalik sujuvalt muuta. Meie teada pole varem poorse süsinikkandja (kasutades CDC) struktuuri optimeerimist taoliselt tehtud. Süsinikkandjaid ja katalüsaatoreid iseloomustatakse gaasi faasi adsorptsiooni/desorptsiooni (BET) ja füüsikaliste meetoditega (XRD, SAXS, Raman, AFM, SEM-FIB, TEM, XPS). Elektrokeemilisi meetodeid (CV, RDE/RRDE meetodid, kronopotentsionomeetria, laadimiskõverate meetod, IS, in situ STM and IR) kasutatakse sünteesitud materjalide hapniku redutseerumismehhanismi detailseks uurimiseks ja stabiilsuse kontrollimiseks. Parimate katoodi materjalide käitumist uuritakse PEMFC ühikrakkudes.
Fuel cells (FCs) convert chemical energy directly into electrical and heat energies with high efficiency and low emission of pollutants. Of several different types of FCs under development, polymer electrolyte membrane FCs (PEMFCs) have been recognized as a more promising future power source for zero-emission electrical vehicles. PEMFCs have to overcome the barrier of high catalyst cost caused by the exclusive use of platinum and platinum-based catalysts in the PEMFC electrodes to become commercially viable. A major challenge in the future development of the low temperature PEMFC is decreasing the amount of precious metal or replacing it with non-noble metals in the electrode catalyst layer. Nowadays the typical design of catalysts is based on the deposition of the nanosized noble metal or multimetallic Pt|Ru deposites on/into the micromesoporous carbons (MMPC). In most cases a reduction in the amount of catalyst can be achieved by increasing the active area of metal catalyst that is actually utilized on the MMPC surface. Within the project a new PEMFC cathode material for oxygen reduction reaction (ORR) will be designed and synthesized. Carbide derived carbons (CDCs) will be used as cathode supports. Inexpensive simple salts of non-noble metals (iron and cobalt) as metal precursors and ammonia as the nitrogen source will be used. The heat treatment of the catalyst ensures the time stability in acidic media of PEMFC. CDCs with very exact pore size distribution have never been used as the catalysts supports for PEMFCs. CDCs will be prepared using chlorination of binary carbides. Varying the carbides and the conditions of synthesis (temperature, heating time, gas composition) will ensure that the microporosity of carbon support – a key factor determining the performance of PEMFC – could be altered smoothly. To the best of our knowledge the structure optimisation of the porous carbon support including CDCs has not been done in this way before. The carbon support and catalyst materials will be investigated using gas phase adsorption/desorption (BET) and physical methods (XRD, SAXS, Raman, AFM, SEM-FIB, TEM, XPS). Electrochemical methods (CV, RDE/RRDE methods, chronopotentiometry, constant current charge-discharge, IS, in situ STM and IR) will be used to study detailed mechanism of the ORR on synthesized materials and the stability of catalysts. The best cathode materials will be used in PEMFC single cell studies.