Biomass-derived Heteroatom-doped Carbon Materials for Electrocatalysis in Oxygen Reduction Reaction

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-04-16

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

25

Series

Abstract

During the last decade, heteroatom-doped electrocatalysts have received considerable attention in fuel cell research. These metal-free variants to traditional Pt/C catalysts possess many desirable catalyst qualities, including remarkable stability and performance in harsh operating conditions, low-cost and ecological soundness. The purpose of this bachelor’s thesis is to investigate the role of heteroatom-doped carbon-based catalysts in oxygen reduction reaction. The focus is particularly on the unique properties brought forth by different heteroatoms (nitrogen, phosphorus, and sulfur) in the carbon carrier and the mechanisms by which they catalyze the oxygen reduction reaction. Additionally, the most promising biomass precursors and means to synthesize these novel carbon catalysts are discussed. The method employed to fulfil this purpose is a literature study. The results of the study show that the efficiency of heteroatom-doped catalyst can be diversely modified by monoatom or multiatom doping. Nitrogen is by far the most commonly employed heteroatom in metal-free ORR catalysts, and it is often found intrinsically in significant quantities from biomass. While most of the prior experiments have been concluded with single-doped catalysts in alkaline media, multiheteroatom-doped variants could be promising options to render catalytic activity in acidic media as well. This is of significance because the fuel cells most close to widespread commercialization operate in acidic conditions. To extract and manufacture metal-free electrocatalysts, a plethora of biomass options have been explored ranging from plant-based and microbial precursors to animal-based and waste-derived materials. The synthesis of heteroatom-doped carbon materials could be achieved readily by pyrolysis or hydrothermal carbonization of biomass with or without post-treatment doping. However, control over dopant location, amount, and overall yield of material remain a challenge.

Hapen sähkökemiallinen pelkistysreaktio (engl. oxygen reduction reaction, ORR) on tärkeä puolireaktio esimerkiksi polttokennojen toiminnassa. Korkean energiakynnyksen vuoksi reaktiota on perinteisesti nopeutettu käyttämällä platinananopartikkeleita sisältäviä hiilipohjaisia katalyyttejä. Tällaiset Pt/C-katalyytit lukeutuvat tehokkaimpiin kaupallisesti saatavilla oleviin katalyytteihin, mutta niiden varjopuolia ovat kalliit kustannukset sekä katalyyttien huono kestävyys pitkällä aikavälillä. Näistä syistä vaihtoehtoisten katalyyttimateriaalien tutkimus on lisääntynyt huomattavasti viime vuosikymmenen aikana. Erityisesti metallivapaat heteroatomeilla saostetut hiilimateriaalit ovat saaneet osakseen erityistä huomiota, sillä ne ovat edullisia ja sopivista lähteistä eristettyinä ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja. Lisäksi niillä on usein parempi korroosion kesto kuin jalometallisilla vaihtoehdoilla. Tässä kirjallisuustutkimuksessa perehdytään biomassasta saatavien heteroatomeilla seostettujen hiilipohjaisten elektrokatalyyttien ominaisuuksiin ja niiden valmistamiseen. Erityisesti tarkastelun kohteena on eri heteroatomien (typpi, fosfori ja rikki) esiin tuomat yksilölliset ominaisuudet hiilikantajassa ja mekanismit, joilla ne katalysoivat hapen pelkistysreaktiota. Valmistuksen osalta tutkimus pyrkii kartoittamaan lupaavia biomassalähteitä ja valmistusmenetelmiä, joilla näitä katalyyttimateriaaleja voitaisiin tuottaa. Tutkimustulokset viittaavat siihen, että heteroatomeilla doupattujen elektrokatalyyttien tehokkuutta ORR:ssa on mahdollista muokata monipuolisesti yksi- tai moniatomiseostuksen avulla. Yleisin tutkimuksissa käytetty metalliton seostamisaine on typpi, jota löytyy runsaasti myös biomassasta. Moniatomiseostetut katalyytit ovat harvinaisempia, mutta niillä on saatu ORR:n kannalta suotuisia tuloksia sekä happamissa että emäksisissä toimintaympäristöissä. Valmistuslähteiden ja -menetelmien osalta tutkimuksessa havaittiin, että useita kasvi- ja jäteperäisiä biomassalähteitä on hyödynnetty laboratorioskaalassa metallivapaiden elektrokatalyyttien valmistuksessa, pääasiassa pyrolyysin avulla. Monet näistä biomassalähteistä sisältävät luonnostaan katalyyttien kannalta toivottuja heteroatomeja, mutta hyvälaatuisen katalyytin valmistaminen edellyttää tarkkaa prosessinhallintaa. Usein tarvitaan myös sopivaa ylimääräistä seostusatomilähdettä. Pyrolyysin ohella on tutkittu myös vaihtoehtoisia valmistusmenetelmiä kuten hydrotermistä hiilestystä, joka tapahtuu huomattavasti matalammassa lämpötilassa verrattuna pyrolyysiin.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Moumaneix, Lilian

Keywords

electrocatalysis, oxygen reduction reaction, heteroatom doping, biomass

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202405143335

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM