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Effect of Carbon Matrix and Fe-species on the Activity and Stability of Fe-N-C Catalysts for PEMFC

Müller-Hülstede, Julia und Schonvogel, Dana und Schmies, Henrike und Wagner, Peter und Dyck, Alexander und Wark, Michael (2021) Effect of Carbon Matrix and Fe-species on the Activity and Stability of Fe-N-C Catalysts for PEMFC. EFCF 2021 - Low-Temperature Electrolysers, Fuel Cells H2 Processing, 29. Jun. - 2. Jul. 2021, Online.

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Kurzfassung

Fe-N-C materials are promising non-precious metal catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). However, they suffer from lower stability compared to Pt/C catalysts. Especially the presence of unstable metallic particles in Fe-N-Cs can lead to low ORR activities and further promote the formation of reactive oxygen species through Fenton-like reactions, leading to strong catalyst degradation. In this study, four different carbon materials including oxidized Vulcan® (ox-V) and Blacks Pearls® (ox-BP), KOH- and H3PO4-activated rye straw (aRS) are investigated as carbon matrix for Fe-N site formation during synthesis. It will be shown that Fe-N-Cs based on ox-V and aPRSKOH contain large amounts of metallic Fe-particles and Fe3C species (Fig. 1 a), whereas ox-BP and aRSH3PO4 based Fe-N-Cs show uniform distribution of N and Fe. By physical analysis it will be revealed that a moderate surface area (> 800 m²/g) and pore volume (> 0.8 cm³/g), mesoporosity and low amounts of amorphous carbon are beneficial for Fe-N site incorporation.[1] These findings are further complemented by rotating ring-disc electrode measurements in acidic electrolyte (Fig. 1 b). The Fe-N-C catalysts which contain Fe particles or Fe3C display low mass activities (MA) of 0.4 0.9 A/g (at 0.75 V vs. RHE), whereas the atomically distributed Fe-N-C catalysts reveal much higher MAs (4.2 5.2 A/g).[1] Furthermore, the polarization curves after an accelerated stress test (AST) indicate differences in stability in terms of changes in MA. Especially, the Fe-N-aRSH3PO4 catalyst shows little degradation, which can be attributed to incorporated P and more stable Fe-N sites. This study will help to understand the impact of carbon matrix towards the incorporation of active and stable Fe-N sites. In future work the most promising catalysts will be implemented in high temperature-PEMFC.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/143076/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Zusätzliche Informationen:Gefördert im Rahmen des Projektes HT PEM 2.0 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Förderkennzeichen: 03ETB016A)
Titel:Effect of Carbon Matrix and Fe-species on the Activity and Stability of Fe-N-C Catalysts for PEMFC
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Müller-Hülstede, JuliaJulia.Huelstede (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7822-8425NICHT SPEZIFIZIERT
Schonvogel, DanaDana.Schonvogel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2485-740XNICHT SPEZIFIZIERT
Schmies, HenrikeHenrike.Schmies (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6565-1280NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, Peterp.wagner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5644-9881NICHT SPEZIFIZIERT
Dyck, Alexanderalexander.dyck (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5010-8226NICHT SPEZIFIZIERT
Wark, MichaelCarl von Ossietzky Universityhttps://orcid.org/0000-0002-8725-0103NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2021
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Non-PGM catalysts, ORR, PEMFC, Stability
Veranstaltungstitel:EFCF 2021 - Low-Temperature Electrolysers, Fuel Cells H2 Processing
Veranstaltungsort:Online
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsdatum:29. Jun. - 2. Jul. 2021
Veranstalter :European Fuel Cell Forum AG
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Oldenburg
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Müller-Hülstede, Julia
Hinterlegt am:20 Jul 2021 16:15
Letzte Änderung:20 Jul 2021 16:15

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