MOF-Derived Metal-Carbon Composite Materials as Bifunctional Catalyst for Zn-Air Battery

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Autoren

Abstract

Beginnend mit der industriellen Revolution wuchs der weltweite Energiebedarf schnell und fossile Brennstoffe wurden eingesetzt, um den Energiebedarf zu decken. Der Verbrauch fossiler Brennstoffe nahm mit der Verbesserung der Technologie und dem Bevölkerungswachstum rapide zu und wurde somit zu einer Bedrohung für unsere Umwelt. Um fossile Brennstoffe durch „grüne“ Energie zu ersetzen, sind alternative Energiespeicher erforderlich. Derzeit verwendete Li-Ionen-Batterien erfüllen bei weitem nicht die Anforderungen der Welt, und Metall-Luft-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte (1084 Wh kg-1) und der Verwendung eines der am häufigsten vorkommenden Elementen der Welt, Zink, vielversprechende Kandidaten. Die notwendigen Reaktionen für Metall-Luft-Batterien - Oxygen Reducing Reaction (ORR) und Oxygen Evolution Reaction (OER) - sind jedoch sehr schleppend, was die Industrialisierung von Metall-Luft-Batterien verzögert. Katalysatoren werden dringend benötigt, um diese Reaktionen zu steuern und ihre Reaktionsmechanismen zu ändern. Obwohl einige edle Katalysatoren wie Pt für ORR und IrO2 und RuO2 für OER nachgewiesene Wirkungsgrade besitzen, sind diese Materialien selten und teuer und daher nicht optimal für die Industrialisierung, sondern werden zu Forschungszwecken verwendet. Basierend auf metallorganischen Gerüsten (MOFs) erzeugte Materialien sind aufgrund ihrer hohen Variabilität, großen Oberfläche und hierarchischen porösen Struktur eine Alternative zu edlen Katalysatoren. Von MOF abgeleitete Materialien benötigen häufig hohe Pyrolysetemperaturen zur Graphitisierung und auch zur Entfernung von Metallzentren. Als Alternative wird MOF-Material auf Cd-Basis angeboten welches auf der niedrigen Siedetemperatur von Cd (767 °C) aufbaut. Cd-MOFs wurden unter verschiedenen Liganden Verhältnissen moduliert und Synthesezeiten synthetisiert, was zu unterschiedlichen Morphologien und Partikelgrößen führte. Zn-ZIF-8 mit verschiedenen modulierenden Liganden Verhältnissen wurden ebenfalls synthetisiert, mit dem Ziel einer ähnlichen Partikelgröße für einen optimalen Vergleich. Die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen, die höher und niedriger als die Cd-Siedetemperatur sind, pyrolysiert und charakterisiert. ORR- und OER-Messungen wurden durchgeführt, um die katalytische Leistung von Cd- und Zn-Proben zu ermitteln. Pyrolysierte Cd-Proben haben ein viel kleineres CV-Profil gezeigt, was auf eine geringere Doppelschichtkapazität und damit auf eine viel geringere Oberfläche hinweist. Pyrolysierte Cd-Proben zeigten trotz ihrer viel geringeren Oberfläche eine bessere oder ähnliche katalytische Leistung bei ORR und viel kleineren Tafel-Steigungen, die mit dem Referenz-Pt / C-Katalysator vergleichbar waren. Die OER-Leistungen beider Proben waren nicht gut. Die vielversprechenden Ergebnisse der Cd-Katalysatoren haben gezeigt, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um die Oberfläche zu vergrößern und in Metall-Luft-Batterieanwendungen eingesetzt werden zu können.

Details

Titel in ÜbersetzungMOF-Derived Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe als bifunktioneller Katalysator für Zn-Luft-Batterie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationMSc
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung25 Juni 2021
StatusVeröffentlicht - 2021