Vergleichende Entwicklung und Bewertung von Fe–N–C-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion: Der Einfluss von Pyrolyse und Eisen-Bipyridin-Strukturen

Protonenwechselmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) stellen einen vielversprechenden Weg für umweltfreundliche Stromerzeugung dar. Die Abhängigkeit von nicht nachhaltigen, platinbasierten Elektrokatalysatoren an den Elektroden stellt jedoch Herausforderungen für die kommerzielle Lebensfähigkeit von PEMFCs dar. Alternativen aus nicht-Platin-Gruppe-Metallen (Non-PGM), wie stickstoffkoordinierte Übergangsmetalle in atomarer Dispersion (M–N–C-Katalysatoren), zeigen erhebliches Potenzial. Diese Arbeit präsentiert eine vergleichende Studie von zwei verschiedenen Sätzen von Fe–N–C-Materialien, die durch Pyrolyse von Hybridkompositen aus Polyanilin (PANI) und Eisen(II)-chlorid auf einer harten Vorlage hergestellt wurden. Ein Satz verwendet Bipyridin (BPy) als zusätzliche Stickstoffquelle und Eisenligand und bietet einen innovativen Ansatz. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wahl der Pyrolysetemperatur und -atmosphäre die Katalysatoreigenschaften beeinflusst. Der Einsatz von Ammoniak in der Pyrolyse erweist sich als entscheidender Parameter zur Förderung der atomaren Dispersion von Eisen sowie zur Erhöhung der Oberfläche und Porosität. Der optimale Katalysator, der mit BPy und Ammoniak hergestellt wurde, weist ein Halbwellenspannung von 0,834 V in 0,5 M H2SO4 (Katalysatorbeladung von 0,6 mg cm−2), eine Masseneffizienz von über 3 A g−1 und hohe Stabilität in saurem Elektrolyt auf, wodurch er sich als vielversprechende Non-PGM-Struktur im Feld positioniert.