Analyse der elektrochemischen Aktivit\u00e4t von Kohlenstoffnanomaterialien f\u00fcr Brennstoffzellen<\/p>\n
Die kohlenstofffreie Stromerzeugung aus intermittierenden Quellen wie Photovoltaik und Windenergie erfordert effiziente Technologien, z.B. Brennstoffzellen, die Energie in gro\u00c3\u0178em Ma\u00c3\u0178stab umwandeln k\u00c3\u00b6nnen. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Brennstoffzellensysteme entwickelt, jedoch wurde ihre breite Anwendung teilweise durch die Notwendigkeit des Edelmetallkatalysators Platin in den Elektroden erschwert. Neue Ans\u00c3\u00a4tze verfolgen edelmetallfreie, kohlenstoffbasierte Nanomaterialien als Katalysator, wie z.B. Graphen und Kohlenstoffnanor\u00c3\u00b6hren (Carbon Nanotubes, CNTs). Obwohl Kohlenstoffnanomaterialien aufgrund ihrer thermischen und elektrochemischen Instabilit\u00c3\u00a4t als Elektrodenmaterial nur eingeschr\u00c3\u00a4nkt geeignet sind, findet man nur wenige Degradationsstudien und die Eignung von Kohlenstoffnanomaterialien f\u00c3\u00bcr robuste elektrochemische Anwendungen ist in der Literatur weitgehend unerforscht. Diese Arbeit fokussiert sich auf die potentielle elektrochemische Aktivit\u00c3\u00a4t und Langzeitstabilit\u00c3\u00a4t von edelmetallfreien CNTs und Graphen f\u00c3\u00bcr die Sauerstoffreduktion in Fests\u00c3\u00a4ure-Brennstoffzellen (Solid Acid Fuel Cell, SAFC). Hierbei wurde eine dynamische, zeitabh\u00c3\u00a4ngige Leistungs\u00c3\u00a4nderung von dotierten und undotierten Kohlenstoffnanomaterialien festgestellt. Undotierte CNTs gelten als inert f\u00c3\u00bcr elektrochemische Reaktionen, erfahren jedoch w\u00c3\u00a4hrend des Brennstoffzellbetriebes eine anf\u00c3\u00a4ngliche Aktivierung durch eine Zunahme von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der CNT-Oberfl\u00c3\u00a4che. Die elektrochemisch aktive Phase wird von einer nachfolgenden strukturellen Degradation aufgrund lokaler Strom- und Spannungsspitzen an den elektrochemisch aktiven Dreiphasengrenzen begleitet. Sauerstoff- und Stickstofffunktionalisierte CNTs zeigen eine h\u00c3\u00b6here elektrochemische Aktivit\u00c3\u00a4t f\u00c3\u00bcr die Sauerstoffreduktion als undotierte CNTs, jedoch nimmt die Aktivit\u00c3\u00a4t in Langzeitmessungen aufgrund von einem Abbau der Stickstoff- und Sauerstoffgruppen ab. Basierend auf einer DFT-Studie an dotiertem Graphen als Modellsystem wurden die Abbaumechanismen von Stickstoff- und Sauerstoffgruppen auf molekularer Ebene aufgekl\u00c3\u00a4rt. Man nimmt an, dass Stickstoff- und Sauerstoffgruppen auf Graphen mit Elektronen und Protonen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfl\u00c3\u00a4che zu Ammoniak, Wasser und Kohlenstoffdioxid reagieren, welche desorbieren und die elektrochemisch aktiven Stellen deaktivieren. Sauerstoffreduktion und die Degradation der Oberfl\u00c3\u00a4chengruppen finden parallel statt. Dies f\u00c3\u00bchrt zur Abnahme der elektrochemischen Aktivit\u00c3\u00a4t. Die untersuchten Degradationsreaktionen laufen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen spontan ab, d.h. die Degradation von Stickstoff- und Sauerstoffgruppen kann sowohl in Nieder- als auch in Mitteltemperatur-Brennstoffzellen auftreten. Wir schlie\u00c3\u0178en daraus, dass Kohlenstoffnanomaterialien als Katalysatoren f\u00c3\u00bcr die Sauerstoffreduktion vielversprechend sind, jedoch f\u00c3\u00bcr eine realistische Anwendung gro\u00c3\u0178e Herausforderungen mit der Langzeitstabilit\u00c3\u00a4t mit sich bringen. Die Verwendung von Kohlenstoffnanomaterialien in SAFC-Kathoden erfordert eine Stabilisierung der elektrochemisch aktiven Zentren oder eine Anpassung der Betriebsbedingungen. Eine vielversprechende Alternative ist die Verwendung von CNTs als por\u00c3\u00b6ses Substrat f\u00c3\u00bcr Edelmetallkatalysatoren zur Maximierung der elektrochemisch aktiven Dreiphasen-Grenzfl\u00c3\u00a4chen.<\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Analyse der elektrochemischen Aktivit\u00e4t von Kohlenstoffnanomaterialien f\u00fcr Brennstoffzellen Die kohlenstofffreie Stromerzeugung aus intermittierenden Quellen wie Photovoltaik und Windenergie erfordert effiziente Technologien, z.B. Brennstoffzellen, die Energie in gro\u00c3\u0178em Ma\u00c3\u0178stab umwandeln k\u00c3\u00b6nnen. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Brennstoffzellensysteme entwickelt, jedoch wurde ihre breite Anwendung teilweise durch die Notwendigkeit des Edelmetallkatalysators Platin in den Elektroden erschwert. 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