Projekt

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Designing Nano-Extended Multimetallic Aerogel Fuel Cell Catalysts for Oxygen Reduction Reaction

Titel Englisch Designing Nano-Extended Multimetallic Aerogel Fuel Cell Catalysts für Oxygen Reduction Reaction
Gesuchsteller/in Schmidt Thomas Justus
Nummer 151122
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Labor für Elektrochemie Paul Scherrer Institut
Hochschule Paul Scherrer Institut - PSI
Hauptdisziplin Physikalische Chemie
Beginn/Ende 01.02.2015 - 31.01.2018
Bewilligter Betrag 203'550.00
Alle Daten anzeigen

Keywords (6)

Polymer-Elektrolyt Brennstoffzellen; PEFC; Elektrokatalyse; Sauerstoffreduktion; Nanostruktur; Aerogel

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie um und sind vielversprechende Systems für den elektrischen Antrieb von Fahrzeugen und der stationären Stromerzeugung. Eine der grössten Herausforderungen dieser Brennstoffzellen für die Kommerzialisierung ist die elektrochemische Umsetzung von Sauerstoff und die Haltbarkeit der normalerweise verwendeten Kohle-geträgerten Platin-Katalysatoren. Um dies zum umgehen, werden relativ hohe Edelmetall-Beladungen verwendet, was wiederum einen negativen Einfluss auf die gesamten Systemkosten hat. Das Ziel dieses Projektes umfasst das Design, die Herstellung und Charakterisierung von nanostrukturierten, ungeträgerten Edelmetallkatalysatoren mit hoher spezifischer Oberfläche für die elektrochemische Sauerstoffreduktion und deren Anwendung als Brennstoffzellen-Kathoden Katalysator.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes

Das Ziel des Projektes ist das Design von einzigartigen mehr-metallischen nanostrukturierten Aerogel Katalysatoren die eine bessere katalytische Leistung für die elektrochemische Sauerstoffreduktion zeigen als die herkömmlich verwendeten Kohle-geträgerten Pt Katalysatoren. Zudem wird im Projekt die Langzeitstabilität unter Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen demonstriert werden. Um diese Ziele zu erreichen muss im Projekt neues Verständnis über den Zusammenhang zwischen Struktur des Katalysators, dessen Zusammensetzung, seiner Form und Reaktivität erarbeitet werden. Um dies zu erreichen werden die folgenden Ziele verfolgt: (i) Das Design und die Herstellung neuer ungeträgerter metallische Aerogele, die aus mehreren Metallen bestehen und die in einerm dreidimensionalen nanostrukturierten Netzwerk verbunden sind. (ii) Das Verständis zum Erstellen des Zusammenhanges zwischen der Aktivität der Katalysatoren, deren Zusammensetzung, Sturktur und Form. (iii) Bestimmung der Langzeitstabilität während der Sauerstoffreduktion under Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelle.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Unsere Arbeit wir neue und wichtige Informationen zu einer neuen Katalysatorklasse (mehrmetallische Aerogele) für Brennstoffzellenanwendnungen generieren. Der hierverwendete Ansatz hat das Potential, die Edelmetallbeladung für Brennstoffzellen zu reduzieren und die Lebensdauer der Brennstoffzellen zu verbessern, was wiederum die BZ-Kommerzialisierung unterstütz. Speziell in Bereich der Elektromobilität ist die Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen äusserst wichtig, da auf diese Weise der Schadstoffausstoss aus dem Verkehrswesen drastisch reduziert werden kann.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 22.05.2014

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Unsupported Pt 3 Ni Aerogels as Corrosion Resistant PEFC Anode Catalysts under Gross Fuel Starvation Conditions
Henning Sebastian, Shimizu Ryo, Herranz Juan, Kühn Laura, Eychmüller Alexander, Uchida Makoto, Kakinuma Katsuyoshi, Schmidt Thomas J. (2018), Unsupported Pt 3 Ni Aerogels as Corrosion Resistant PEFC Anode Catalysts under Gross Fuel Starvation Conditions, in Journal of The Electrochemical Society, 165(6), F3001-F3006.
Tomographic Analysis and Modeling of Polymer Electrolyte Fuel Cell Unsupported Catalyst Layers
Ishikawa Hiroshi, Henning Sebastian, Herranz Juan, Eychmüller Alexander, Uchida Makoto, Schmidt Thomas J. (2018), Tomographic Analysis and Modeling of Polymer Electrolyte Fuel Cell Unsupported Catalyst Layers, in Journal of The Electrochemical Society, 165(2), F7-F16.
Nanostructuring Noble Metals as Unsupported Electrocatalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells
Cai Bin, Henning Sebastian, Herranz Juan, Schmidt Thomas J., Eychmüller Alexander (2017), Nanostructuring Noble Metals as Unsupported Electrocatalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells, in Advanced Energy Materials, 7(23), 1700548-1700548.
Unsupported Pt-Ni Aerogels with Enhanced High Current Performance and Durability in Fuel Cell Cathodes
Henning Sebastian, Ishikawa Hiroshi, Kühn Laura, Herranz Juan, Müller Elisabeth, Eychmüller Alexander, Schmidt Thomas J. (2017), Unsupported Pt-Ni Aerogels with Enhanced High Current Performance and Durability in Fuel Cell Cathodes, in Angewandte Chemie International Edition, 56(36), 10707-10710.
Durability of Unsupported Pt-Ni Aerogels in PEFC Cathodes
Henning Sebastian, Herranz Juan, Ishikawa Hiroshi, Kim Bae Jung, Abbott Daniel, Kühn Laura, Eychmüller Alexander, Schmidt Thomas J. (2017), Durability of Unsupported Pt-Ni Aerogels in PEFC Cathodes, in Journal of The Electrochemical Society, 164(12), F1136-F1141.
Effect of Acid Washing on the Oxygen Reduction Reaction Activity of Pt-Cu Aerogel Catalysts
Henning Sebastian, Kühn Laura, Herranz Juan, Nachtegaal Maarten, Hübner René, Werheid Matthias, Eychmüller Alexander, Schmidt Thomas J. (2017), Effect of Acid Washing on the Oxygen Reduction Reaction Activity of Pt-Cu Aerogel Catalysts, in Electrochimica Acta, 233, 210-217.
Pt-Ni Aerogels as Unsupported Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction
Henning Sebastian, Kühn Laura, Herranz Juan, Durst Julien, Binninger Tobias, Nachtegaal Maarten, Werheid Matthias, Liu Wei, Adam Marion, Kaskel Stefan, Eychmüller Alexander, Schmidt Thomas J. (2016), Pt-Ni Aerogels as Unsupported Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction, in Journal of The Electrochemical Society, 163(9), F998-F1003.

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
68th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry Vortrag im Rahmen einer Tagung Durability of unsupported Pt-Ni Aerogel Cathodes in Polymer Electrolyte Fuel Cells 26.08.2017 Providence, RI, Vereinigte Staaten von Amerika Henning Sebastian;
6th European PEFC and Electrolyser Forum Vortrag im Rahmen einer Tagung Pt-Ni Aerogels as Cathode Catalysts in Polymer Electrolyte Fuel Cells 04.07.2017 Luzern, Schweiz Henning Sebastian;
MRS Spring Meeting 2017 Vortrag im Rahmen einer Tagung Noble Metal Aerogels: From Model Studies to Polymer Electrolyte Fuel Cell Performance 17.04.2017 Phoenix, AZ, Vereinigte Staaten von Amerika Schmidt Thomas Justus;
PRiME 2016 Vortrag im Rahmen einer Tagung Unsupported Bimetallic Aerogels as ORR Catalysts for PEFCs 02.10.2016 Honolulu, HI, Vereinigte Staaten von Amerika Henning Sebastian;
228th ECS Meeting Vortrag im Rahmen einer Tagung Bimetallic Aerogels: Nanostructured Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts 11.10.2015 Phoenix, AZ, Vereinigte Staaten von Amerika Schmidt Thomas Justus;
ECS Conference on Electrochemical Energy Conversion & Storage with SOFC-XIV Poster Bimetallic Pt-Ni Aerogels for Electrocatalysis of the Oxygen Reduction 27.07.2015 Glasgow, Grossbritannien und Nordirland Henning Sebastian;


Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
178737 Bimetallic and surface-functionalized aerogels for the efficient electroreduction of CO2 to added-value products 01.08.2018 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) converting hydrogen and oxygen into electricity are promising devices for clean and efficient energy conversion in mobile and stationary applications. However, one of the biggest challenges on the material level is the sluggish reaction kinetics for the reduction of molecular oxygen on the fuel cell cathode side. This sluggish kinetics is responsible for the main voltage and efficiency losses inside a PEFC and calls for typically quite high loadings of the used Pt-based electrode catalysts, which in turn affects the fuel cell cost in a negative way. In addition, the normally carbon supported Pt catalysts are known to exhibit some instabilities under transient high-voltage conditions due to corrosion of the carbon supports. Therefore, the goals of the project is to design advanced unique multi-metallic aerogel electrocatalysts showing superior catalytic performance for the oxygen reduction reaction (ORR) and high long-term durability under operating fuel cell conditions as compared to the state-of-the-art systems. Therefore, knowledge has to be gained about the relationships between structure, composition, shape and reactivity is necessary to achieve this goal. The following objectives are to be addressed in this work: (i) To design and fabricate new unsupported metallic aerogels consisting of bimetallic Pt-NPM (NPM=non-precious metal such as Ni, Co, Cu and Fe) nanoparticles connected in a long-range 3D network structure; (ii) To determine the structure-composition-shape-reactivity relationships of Pt alloy aerogels for the electrochemical ORR; and (iii) To study the long-term durability and chemical stability under strongly corrosive conditions.
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