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Operando X-ray absorption spectroscopy of Fe–N–C catalysts based on carbon black and biomass-derived support materials for the ORR

Wartner, Garlef und Müller-Hülstede, Julia und Trzesniowski, Hanna und Wark, Michael und Wagner, Peter und Seidel, Robert (2024) Operando X-ray absorption spectroscopy of Fe–N–C catalysts based on carbon black and biomass-derived support materials for the ORR. Sustainable Energy and Fuels. Royal Society of Chemistry. doi: 10.1039/D4SE00342J. ISSN 2398-4902.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/se/d4se00342j

Kurzfassung

Iron nitrogen carbon (Fe–N–C) catalysts are among the most promising non-platinum group metal catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). Their activity and stability are considerably influenced by the structure of the C-support. New biochar materials offer native heteroatom doping, making them a promising precursor for Fe–N–C catalysts. In this study, we apply operando X-ray absorption spectroscopy at the Fe K-edge to characterize the atomic Fe-based active sites of a commercial Fe–N–C catalyst, a carbon black-based catalyst as well as a novel biomass-based Fe–N–C catalyst. We compare the density and the potential-dependent nature of the FeNx-type active sites during operation. Our results demonstrate that the novel biomass-based catalyst exhibits a higher active-site density compared to commercial and carbon black-based Fe–N–C catalysts. Moreover, dynamic detection of the Fe K-edge intensity during potential cycling reveals that their reversible iron redox potential is lower compared to that of conventional catalysts. Evaluation of the Fe K-edge shift as well as of the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) suggests hetero-atom doping and iron under-coordination as potential causes for the observed differences. These insights open the pathway to develop new optimization strategies for Fe–N–C catalysts based on biomass support materials.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/204027/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Operando X-ray absorption spectroscopy of Fe–N–C catalysts based on carbon black and biomass-derived support materials for the ORR
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wartner, GarlefHelmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Department of Atomic-Scale Dynamics in Light-Energy ConversionNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller-Hülstede, JuliaJulia.Huelstede (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7822-8425NICHT SPEZIFIZIERT
Trzesniowski, HannaHelmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Department of Atomic-Scale Dynamics in Light-Energy ConversionNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wark, MichaelCarl von Ossietzky Universityhttps://orcid.org/0000-0002-8725-0103NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, Peterp.wagner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5644-9881NICHT SPEZIFIZIERT
Seidel, RobertHelmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Department of Atomic-Scale Dynamics in Light-Energy ConversionNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:15 April 2024
Erschienen in:Sustainable Energy and Fuels
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1039/D4SE00342J
Verlag:Royal Society of Chemistry
ISSN:2398-4902
Status:veröffentlicht
Stichwörter:ORR; Pt-free; XAS; Fe-N-C
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:29 Mai 2024 17:36
Letzte Änderung:29 Mai 2024 17:36

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