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Fe, Co, and ZIF-8 co-doped catalysts with carbon nanotubes and a SiOC composite backbone for high-temperature PEM fuel cell cathodes

Mooste, Marek und Müller-Hülstede, Julia und Buschermöhle, Julia und Rücker, Konstantin und Zierdt, Tanja und Ewert, Jana und Fuhrmann, Killian und Harder, Nils und Wilhelm, Michaela und Wagner, Peter und Schonvogel, Dana und Friedrich, K. Andreas (2026) Fe, Co, and ZIF-8 co-doped catalysts with carbon nanotubes and a SiOC composite backbone for high-temperature PEM fuel cell cathodes. Journal of Materials Chemistry A, 14 (35), Seiten 23441-23456. Royal Society of Chemistry. doi: 10.1039/d6ta01012a. ISSN 2050-7488.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
3MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.1039/d6ta01012a

Kurzfassung

The development of high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) technology is crucial for implementing the hydrogen economy and decarbonising (heavy) transport and aviation sectors. To replace Pt-based materials at the HT-PEMFC cathode, we propose an Fe, Co, and N-functionalised catalyst with a nanocarbon backbone consisting of a carbon nanotube (CNT) and silicon oxycarbide (SiOC) blend. SiOC is a subclass of polymer-derived carbon (PDC). The CoFe–N–CNT/PDC catalyst is prepared using zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) as a nitrogen source via pyrolysis, followed by an acid-leaching step. Preliminary testing of oxygen reduction reaction (ORR) activity was conducted comparatively using a rotating ring-disc electrode (RRDE) method at room temperature in 0.5 M H3PO4 and with a high-temperature gas diffusion electrode (HT-GDE) half-cell setup at 160 °C in conc. H3PO4. Comparative stability testing under RRDE and HT-GDE conditions showed the superior durability of PDC in the catalyst backbone. In more detail, a voltage loss of 36 mV was observed after a 3-hour HT-GDE test at a constant current density of 100 mA cm−2 for the CoFe–N–PDC catalyst, while Fe–N–C (Pajarito Powder, LLC) showed a corresponding value of 80 mV. A maximum power density (Pmax) with CoFe–N–CNT/PDC in the HT-GDE of 187 mW cm−2 was obtained, outperforming the Pmax of 153 mW cm−2 for Fe–N–C. During the HT-PEMFC single-cell tests, Fe–N–C with a Pmax of 134 mW cm−2 surpassed the CoFe–N–CNT/PDC and CoFe–N–CNT cathodes (Pmax of 112–124 mW cm−2). The high activity towards the ORR of the CoFe–N–CNT/PDC was attributed to the presence of Fe-, Co-, and N-based active sites and an optimised nanocarbon backbone.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/228246/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Fe, Co, and ZIF-8 co-doped catalysts with carbon nanotubes and a SiOC composite backbone for high-temperature PEM fuel cell cathodes
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Mooste, MarekMarek.Mooste (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2069-3495NICHT SPEZIFIZIERT
Müller-Hülstede, JuliaJulia.Huelstede (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7822-8425NICHT SPEZIFIZIERT
Buschermöhle, Juliajulia.buschermoehle (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0414-9756231745684
Rücker, KonstantinKonstantin.Ruecker (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9162-7006231745687
Zierdt, TanjaTanja.Zierdt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1527-199X231745688
Ewert, JanaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fuhrmann, KillianNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Harder, NilsNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wilhelm, MichaelaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, PeterNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schonvogel, DanaDana.Schonvogel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2485-740XNICHT SPEZIFIZIERT
Friedrich, K. Andreasandreas.friedrich (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:22 April 2026
Erschienen in:Journal of Materials Chemistry A
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:14
DOI:10.1039/d6ta01012a
Seitenbereich:Seiten 23441-23456
Verlag:Royal Society of Chemistry
ISSN:2050-7488
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Fuel Cells, Electrocatalyst, ORR
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: Schonvogel, Dr. Dana
Hinterlegt am:30 Okt 2026 15:51
Letzte Änderung:04 Nov 2026 12:00

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