Oberflächenmodifizierung von Kohlenstoffmaterialien durch Pyrolyse phosphorhaltiger Ionischer Flüssigkeiten für Brennstoffzellenanwendungen

Abstract

Elektrochemische Systeme wie Brennstoffzellen sind Schlüsseltechnologien, die zur nachhal-tigen Gesellschaft beitragen. Die kommerzielle Nutzung ist durch hohe Kosten sowie niedrige Langlebigkeit und Leistung limitiert. Phosphorhaltige Kohlenstoffe können als Trägermaterial für Edelmetallkatalysatoren dienen, um Leistung und Haltbarkeit von Kathoden im Brenn-stoffzellenbetrieb zu erhöhen. Eine Nassimprägnierung von Kohlenstoffen mit Ionischen Flüs-sigkeiten und anschließender Pyrolyse bei 400°C erzeugte homogen verteilte PO3- und PO4-artige Phosphorspezies mit Phosphorgehältern von bis zu 3,0 Gew. %. Brennstoffzellentests offenbarten, dass geringe Mengen Phosphor positive Effekte auf Schlüsseleigenschaften von phosphordotierten Proben haben. Dazu zählen erhöhte Leistung und Haltbarkeit sowie signifi-kant verringerte Ladungswiderstände an der Kathode. Die Aktivität der Sauerstoffredukti-onsreaktion konnte ebenfalls erhöht werden, ohne die Morphologie und Geometrie der Sub-strate zu beeinflussen. Aufgrund veränderter Bindungslängen, Atomradien und Elektronega-tivität von Phosphor erfolgt eine Modifizirung der Oberflächenzusammensetzung, welche die Beobachtungen erklärt. Ionische Flüssigkeiten konnten erfolgreich als Imprägnierungsreagenz für die Herstellung von heteroatomdotierten Kohlenstoffen genutzt werden, der Prozess ist auf verschiedenste Kohlenstoffsubstrate anwendbar. Die Verbesserung verschiedener Schlüs-seleigenschaften kann bestehende Mängel entweder mildern oder ausgleichen.

Electrochemical devices such as fuel cells are key technologies towards a sustainable society. The widespread utilization is limited by high costs, as well as low longevity and performance. Phosphorus containing carbon materials can serve as support for noble metal catalysts to in-crease both performance and durability of cathodes in fuel cell application. A simple wet im-pregnation method using ionic liquids followed by a subsequent pyrolysis at 400°C yielded homogeneous distributed PO3- and PO4-like species with a total content of up to 3.0 wt. % phosphorus. Small phosphorus contents in phosphorus coated materials resulted in positive effects on key characteristics. Fuel cell testing revealed increased durability and performance, as well as significantly reduced charge transfer resistances at the cathodes. Additionally, the materials showed increased ORR activity without altering the morphology or geometry of the substrates. These observations can be assigned to changed binding lengths, atom radii and electron negativity of the introduced phosphorus, altering the surface composition. Ionic liq-uids themselves proved as coating agents for the fabrication of heteroatom containing carbons, with a coating process applicable to various carbon substrates. The improvement of different key characterics may compensate the shortcomings for a widespread utilization of fuel cells or other electrochemical devices.