Eisen-Stickstoff-modifizierte, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren für die elektrokatalytische Reduktion von Sauerstoff

Schilling, Thorsten (2010)
Eisen-Stickstoff-modifizierte, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren für die elektrokatalytische Reduktion von Sauerstoff.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22549

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Katalysatorsystems für die elektrokatalytische Reduktion von Sauerstoff im saueren Medium auf Basis von temperaturbehandelten Eisen-Stickstoff-modifizierten, mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs). Die hergestellten Katalysatoren wurden mittels Zyklovoltammetrie (CV), Messungen mit der rotierenden Scheibenelektrode (RDE) und Impedanzmessungen (EIS) hinsichtlich ihres elektrochemischen Verhaltens untersucht sowie mit physikalisch-chemischen Methoden charakterisiert. Die elektrokatalytische Reduktion von Sauerstoff im sauren Medium spielt eine bedeutende Rolle in der elektrochemischen Energieerzeugung von Batterien und Brennstoffzellen. Standardmäßig eingesetzte Sauerstoffreduktionskatalysatoren basieren auf Ruß-geträgertem, dispersem Platin, dessen hohe Kosten ein Hauptproblem für die Kommerzialisierung von Brennstoffzellen darstellten. Daher ist es von großem Interesse, die Platinkatalysatoren durch preiswerte Alternativen zu ersetzen. Eine mögliche Alternative sind Übergangsmetall-Stickstoff-modifizierte und bei hohen Temperaturen (bis zu 950 °C, Inertgas) behandelte Ruße. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Konzept der modifizierten Ruße auf mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) zu übertragen und die außergewöhnlichen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren (hohe elektrische Leitfähigkeit, Temperatur- und Oxidationsresistenz) für elektrokatalytische Anwendungen zu nutzen. Hierzu wurden MWCNTs unter Verwendung von Eisen-Stickstoff-Chelatkomplexen (Porphyrin und Phenanthrolin) oder durch Behandlung mit einem Eisensalz (Eisenacetat) mit Eisen-Stickstoff-Zentren modifiziert und im Inertgasstrom bei Temperaturen von bis zu 950 °C pyrolysiert. Neben der Untersuchung des Einflusses verschiedener Syntheseparameter auf die Sauerstoffreduktionsaktivität (z.B. Einfluss der eingesetzten Eisen-Stickstoff-Verbindung, Einfluss des Stickstoffgehaltes, Einfluss der Imprägnierungsmethode) galt das Hauptinteresse der Untersuchung der Vorgänge während der Hochtemperaturbehandlung, die einen entscheidenden Schritt für die Aktivität und Stabilität der Katalysatoren darstellt. Durch Kombination von elektrochemischen Methoden (CV und RDE) mit verschiedenen Analysenmethoden wie XPS-, TEM- und TG/MS-Untersuchungen konnte ein genaues Bild von den Vorgängen während der Hochtemperaturbehandlung der imprägnierten MWCNTs sowie deren Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften erhalten werden.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2010

Autor(en):

Schilling, Thorsten

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Eisen-Stickstoff-modifizierte, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren für die elektrokatalytische Reduktion von Sauerstoff

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Claus, Prof. Dr. Peter ; Schäfer, Prof. Dr. Rolf

Publikationsjahr:

5 August 2010

Datum der mündlichen Prüfung:

5 Juli 2010

URL / URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-22549

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

The present dissertation deals with the development of a catalyst for the electrocatalytic reduction of oxygen in acidic media based on Fe-N-modified multi-walled carbon nanotubes. The synthesized catalysts were examined regarding their electrochemical behaviour by using cyclic voltammetry (CV), rotating disc electrode (RDE) and impedance spectroscopy and characterized with physic-chemical methods. The electrocatalytic reduction of oxygen plays a crucial role in the generation of electricity in batteries and fuel cells. The state of the art catalyst for this reaction is based on highly dispersed platinum on carbon supports (usually carbon blacks). The high price of platinum is one of the major problems in the course of commercialisation of fuel cells. Therefore it is important to substitute the platinum based catalysts by cheaper alternatives. One possible alternative is based on heat treated (up to 950 °C, inert gas atmosphere) carbon materials impregnated with transition metals- nitrogen centres. The general aim of the dissertation was to extend the concept of the modified carbons to MWCNTs and thereby make use of the extraordinary properties of MWCNTs, like high electric conductivity, chemical inertness and high temperature and oxidative stability for catalytic applications. MWCNTs were modified with iron nitrogen centres by the use of iron-nitrogen-chelate complexes (porphyrine and phenanthroline) or by using an iron salt (iron acetate) und heat treated in an inert gas atmosphere at high temperatures up to 950 °C. Beside the analysis of the effect of different synthesis parameters on the oxygen reduction activity (e.g. influence of the iron-nitrogen compound, influence of the nitrogen content and influence of the impregnation method) the main focus was on the examination of the effect of high temperature treatment of the modified MWCNTs which is a crucial step for the activity and stability of the catalyst. By the combination of electrochemical methods (CV and RDE) and different analysis techniques like XPS-, TEM- and TG-/MS-methods a better understanding of the processes taking place during the heat treatment and their impact on the electrochemical properties could be obtained.

Englisch

Freie Schlagworte:

Sauerstoffreduktion, Kohlenstoffnanoröhren, Eisen-Stickstoff-Zentren, Zyklovoltammetrie, rotierende Scheibenelektrode

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie II
07 Fachbereich Chemie > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie
07 Fachbereich Chemie

Hinterlegungsdatum:

06 Aug 2010 05:38

Letzte Änderung:

05 Mär 2013 09:36

PPN: