|
Holistic design of fuel cell electrocatalysts for the least power applications
|
Help
Print
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
|
Details of project |
|
|
Identifier |
131270 |
Type |
NNE |
Principal investigator |
Tompos, András |
Title in Hungarian |
Tüzelőanyag-cellák elektrokatalizátorainak holisztikus tervezése a legkisebb teljesítménykategóriájú alkalmazásokhoz |
Title in English |
Holistic design of fuel cell electrocatalysts for the least power applications |
Keywords in Hungarian |
tüzelőanyag-cella, elektrokatalizátor, nagyáteresztő kísérletezés, hordozható eszközök |
Keywords in English |
fuel cell, electrocatalyst, high throughput experimentation, portable devices |
Discipline |
Colloid Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % |
|
Panel |
Chemistry 1 |
Department or equivalent |
Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences) |
Participants |
Ayyubov, Ilgar Borbáth, Irina Buchholcz, Balázs Pászti, Zoltán Selim, Asmaa Szijjártó, Gábor Tálas, Emília
|
Starting date |
2019-07-01 |
Closing date |
2022-06-30 |
Funding (in million HUF) |
26.818 |
FTE (full time equivalent) |
6.96 |
state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A CATALEAST projektben a katalizátorfejlesztés és polimer elektrolit membrán tüzelőanyag-cellák (PEMFC) területén egymást kiegészítő szakértelemmel bíró tagokból álló konzorcium új, korrózióálló, megnövelt stabilitású, csökkentett Pt-tartalmú katalizátorok kidolgozását, ezen anyagokból membrán elektród együttesek (MEA) létrehozását, a MEA-k PEMFC-be történő építését célozza meg laboratóriumi vizsgálatokhoz és új hordozható eszközökben való alkalmazáshoz. A nemzetközi konzorcium tagjai: MTA Természettudományi Kutatóközpont (P1) Román Akadémia “Ilie Murgulescu” Fizikai-Kémiai Intézete (P2) Nemzeti Anyagfizikai Intézet (Románia) (P3)
Kutatás tevékenységünket hat részfeladatba (RF) csoportosítjuk: RF1. Elektródanyagok tervezése A P2 partner katód katalizátorként Ni-alapú nanoszerkezetű anyagokat, anód katalizátorként mezopórusos oxidokon és azok kompozitjain hordozott PdRu-t állít elő. A P1 partner TiO2 alapú vegyes-oxidokból és aktív szénből álló kompozit hordozós Pt anódkatalizátorok kombinatorikus fejlesztését végzi. Az új katalizátorok nagyáteresztő szűrését valamint a legjobb minták részletes jellemzését tervezzük (P1, P2, P3) RF2. Katalizátorrétegek kialakítása és egycellás tesztelés Katalizátorral bevont gáz diffúziós rétegekből MEA-kat készítünk, ezeket PEM tüzelőanyag-cellában teszteljük (P1). RF3. Hordozható tüzelőanyag-cella Az RF3 teljesítéséhez spanyol együttműködőt vonunk be alvállalkozóként. RF4. Méretnövelés A legjobb kompozitok előállításának ipari szempontból releváns mennyiségig történő léptéknövelését tervezzük. Eredményeinek közzététele (RF5) és a projektmenedzsmenthez kapcsolódó feladatok (RF6) is részfeladatokat képeznek.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Az elektrokatalizátorok, amelyek a polimer elektrolit membrán tüzelőanyag-cellák (PEMFC-k) elengedhetetlen részei, alapvetően befolyásolják a tüzelőanyag-cella teljesítményét, tartósságát és árát. Ennek megfelelően e technológia alkalmazhatóságának követelménye az alacsony Pt tartalom mellett, hogy hosszú élettartamú, jó vezetőképességű és kiváló elektrokémiai aktivitású katalizátorok álljanak rendelkezésre. Annak érdekében, hogy a PEMFC-k Pt/C típusú elektrokatalizátorainak korlátait leküzdjük, új típusú anyagok kifejlesztése szükséges. A fő hipotézis tehát, hogy az általunk javasolt új nanoszerkezetű oxid alapú anyagok önmagukban alkalmazhatók katalizátorként, illetve az oxidok és azok szén anyagokkal alkotott kompozitjai alkalmazhatók katalizátor hordozóként. További hipotézisek, céljaink, megoldandó kérdések: (i) Új szintézis módszerek és technológia kifejlesztése alacsonyabb Pt-tartalmú vagy Pt-mentes anyagokból álló katalizátorok ipari szempontból releváns mennyiségben történő előállítására, a PEM cella teljesítményének romlása nélkül; (ii) A fém-oxid (vagy vegyes oxid) szén-szerkezet arányának optimalizálása a kompozit anyagokban, tekintettel a megfelelő korrózióállóságra, vezetőképességre, fajlagos felületre és porozitásra; (iii) Annak demonstrálása, hogy előállítási és optimalizálási módszereinkkel képesek vagyunk tetszőleges tüzelőanyag-cellás technológiához új elektrokatalizátorokat és azokból felépülő membránelektród együtteseket (MEA-k) optimalizálni.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A munka sikeres befejezése polimer elektrolit membrán tüzelőanyag-cellák (PEMFC-k) elektrokatalizátoraiként használható új, többfunkciós anyagokat eredményez az előállításukhoz-, előállításuk méretnöveléséhez-, katód- és anód elektródokba történő beépítésükhöz szükséges módszerekkel, információkkal az új rendszerek viselkedéséről a laboratóriumi vizsgálatokra szolgáló stackekben és lehetőségekkel a hidrogénes hordozható alkalmazások körülményei közötti felhasználásukra. Mélyebb betekintést várunk a szerkezet-aktivitás összefüggésekbe, ami hozzájárul a PEMFC kutatók általános ismereteihez. Végül a projekt nyújtotta lehetőségek nem csak a partnerek közötti nemzetközi együttműködést, hanem a partnerek saját innovációs képességeit is erősítik. Elképzelésünk, hogy a korrózióra érzékeny és drága Pt/C elektrokatalizátorokat kiváltsuk. Koncepciónk fő eleme, hogy oxid típusú anyagokat vezetünk be önmagukban katalizátorként, illetve a szén-hordozó részleges vagy teljes helyettesítésére. Az anód elektrokatalizátorok kialakítása során (i) csökkentett Pt-tartalmú katalizátorokat szintetizálunk oxofil fémmel dópolt (M = W, Mo, Nb vagy Sn) TiO2-ból és aktív szénből felépülő, vezetőképes és korrózióálló kompozit hordozó felhasználásával; (ii) mezoarchitektúrájú Pt-mentes, hordozós PdRu katalizátorokat fejlesztünk ki mezoporózus WO3 és SnO2-WO3, valamint ezek szétrétegezett grafit-oxidokkal / redukált grafén-oxiddal (GO / rGO) alkotott kompozitjai felhasználásával. Katód elektrokatalizátor céljára nikkel-alapú nanoszerkezetű anyagokat (NiWO4, NiCo2O4-SnO2, Pt/NiWOx, Pt/NiWOx-GO/rGO) készítünk. Az alapkutatás szintjén a projekt várható eredménye a vizsgált anyagok kialakulásának, stabilitásának és katalitikus viselkedésének megértése. Ezen új anyagok a tüzelőanyag-cella teljesítményjavulását és a platina koncentráció csökkentését eredményezhetik, utat nyitva hatékonyabb és olcsóbb hordozható tüzelőanyag-cellás eszközök fejlesztéséhez. Megközelítésünk másik fontos újdonsága a nagy áteresztő elektrokémiai jellemzés és adatbányászati technikák alkalmazása a gyors optimalizálásához. Az új anyagok PEMFC alkalmazásával kapcsolatos tapasztalatok minden partner számára tudományos előnyöket jelentenek.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Alacsony üzemi hőmérsékletük/nyomásigényük és nagy energia-sűrűségük miatt a polimer elektrolit membrán tüzelőanyag-cellák (PEMFC-k) a legfontosabb tüzelőanyag-cella típust képviselik számos felhasználási területen, például gépjárművekben, helyhez kötött és kisméretű hordozható villamosenergia-termelő eszközökben. A PEMFC-k hosszú élettartamának, teljesítményének és árának egyik meghatározója az elektrokatalizátor. A jelenleg elérhető legjobb katalizátorok platinából és aktív szénből (úgynevezett hordozóból) állnak, amelyek degradációra hajlamosak, amit csak rendkívül nagy platina tartalommal lehet kompenzálni, ami magasan tartja a PEMFC-k árát. Célunk olyan új típusú korrózióálló katalizátorok kifejlesztése, amelyeknek jobb a stabilitása, csökkentett Pt tartalmúak vagy teljesen platinamentesek. A projekt során a létrehozott új elektrokatalizátorokat membrán elektród együttesekbe (MEA-kba), laboratóriumi tesztelésre szolgáló egyelemű tüzelőanyag-cellákba és új, hidrogén üzemű hordozható eszközökbe építjük be. Módszert dolgozunk ki a legjobb összetételű katalizátorok nagyobb mennyiségekben történő előállítására is. Az új generációs elektrokatalizátorok hozzájárulhatnak a hidrogén üzemű tüzelőanyag-cellás technológiák fejlesztéséhez, amelyek a fenntartható, szén-dioxid-mentes és hatékonyabb energiarendszer felé vezető út kulcsfontosságú technológiái lehetnek. Ezért a tervezett munka eredményeinek jelentős ökológiai hatása lehet és hozzájárulhatnak a tüzelőanyag-cella és hidrogén technológiák európai innovációs láncához.
| Summary Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Project CATALEAST, a consortium with complementary expertise in catalyst development and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) design, proposes development of novel composite-based corrosion resistant catalysts with improved stability and decreased Pt content; integration of these materials into Membrane Electrode Assemblies (MEAs); and building of PEMFC for laboratory tests and application in new portable devices. A three membered international consortium has been formed: Research Centre for Natural Sciences, Hungarian Academy of Sciences (P1), “Ilie Murgulescu” Institute of Physical Chemistry of the Romanian Academy (P2) and National Institute of Materials Physics (P3).
Research is organized in 6 Work Packages (WPs): WP1. Electrode material design Nickel-based nanoarchitectured materials as cathode and PdRu supported on mesoporous oxides and their composites as anode will be prepared by P2. Combinatorial development of anode Pt catalysts supported on titania-based mixed oxides and active carbon composites will be done by P1. High-throughput electrochemical screening of novel catalysts as well as detailed characterization of the best compositions is planned (P1, P2, P3). WP2. Catalyst layers deposition and standard single cell testing MEAs with catalyst coated gas diffusion layer will be prepared and the MEAs will be tested in PEM fuel cell (P1). WP3. Portable fuel cell WP3 will be done by involving Spanish partner as subcontractor. WP4. Scale-up Up-scaling the preparation of the best compositions to industrially relevant amounts will be done. Dissemination and exploitation (WP5) and project management related tasks (WP6) are also planned.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Electrocatalysts, which are indispensable elements of the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) electrodes, have a vital influence on the performance, durability, and price of the fuel cell. Accordingly, the need for catalysts that have long lifetime, good conductivity and excellent electrochemical activity, along with low Pt content is a requirement for the exploitation of this technology. In order to overcome the limitations of the Pt/C type electrocatalysts in PEMFCs, development of novel materials is needed. Thus the key hypothesis is whether the proposed new nanoarchitectured oxide-based materials can be used as catalysts by themselves or their composites with carbonaceous materials can be used as support. Our further hypotheses, goals, issues to be solved are as follows: (i) Development of new synthesis methods and detailed technology for preparation in industrially relevant amounts of catalysts with lowered Pt content or Pt-free materials without sacrificing the performance; (ii) Optimization of the metal oxide (or mixed oxide) to carbonaceous material ratio in composite materials with respect to appropriate corrosion resistance, conductivity, specific surface area and porosity; (iii) Demonstration of suitability of our preparation and optimization methodology for design of novel electrocatalysts and specific Membrane Electrode Assemblies (MEAs) for given fuel cell applications.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The successful completion of the proposed work will result in novel multifunctional materials as electrocatalysts for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) along with methodology for their preparation, up-scaling, incorporation into cathode and anode electrodes and utilization in experimental stacks for laboratory testing, and for hydrogen portable application conditions. We will get deep insight into structure activity relationships which will certainly contribute to the general knowledge of scientists active in PEMFC research. Finally, the working environment of the project will not only strengthen international collaboration between the project partners but will certainly strengthen their innovation excellence as well. Our vision is to replace the corrosion-sensitive and expensive Pt/C electrocatalysts. The key element of our concept is to introduce oxide materials either to act as catalysts by themselves or to partly or completely replace the carbon support. Upon anode electrocatalysts design our concept will be realized (i) by synthesizing catalysts with lowered Pt content supported on a conductive and corrosion resistant composite consisting of the oxophilic metal-doped (M= W, Mo, Nb or Sn) TiO2 and active carbon; and (ii) by development of mesoarchitectured Pt-free PdRu catalysts supported on mesoporous WO3 and SnO2-WO3 and their composites with exfoliated graphite oxides/reduced graphene oxide (GO/rGO). For the cathode side nickel-based nanoarchitectured materials (NiWO4, NiCo2O4-SnO2, Pt/NiWOx, Pt/NiWOx-GO/rGO) will be prepared. The expected results of the proposed project at the level of fundamental research are understanding of the formation, stability and catalytic behaviour of the investigated materials. The potential of these materials to improve performance and decrease platinum concentration in fuel cell electrodes will open possibilities for more efficient and cheap portable fuel cells. Another key aspect of our approach is the utilization of high throughput electrochemical characterization and data mining techniques for fast optimization of the best electrocatalysts. Scientific benefits for all partners will be the experience of the application of the new materials to PEMFCs.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Due to their low operation temperature/pressure requirement and high energy density, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) comprise the most important type of fuel cell for different applications, like automobiles, stationary, and small-scale portable electricity generation. One of the key constituents of PEMFCs responsible for the longevity, performance and price is the electrocatalyst. The best available catalysts consist of activated carbon, so called support, and platinum, as active phase, which are known to suffer from degradation, which can only be compensated with extremely high platinum loading, keeping the price of the cells high. Our aim is the development of new types of corrosion resistant catalysts with improved stability and decreased or completely eliminated Pt content. The project proposes integration of novel catalytic system into Membrane Electrode Assemblies (MEAs) and building of fuel cells for laboratory tests and application in new portable, hydrogen powered, devices. Finally, the project aims to scale-up the preparation of the best compositions to industrially relevant amounts. The novel generation of electrocatalysts and the completed small PEMFCs with MEAs built on these catalysts as the outcomes of the proposed work will contribute to the deployment of hydrogen fuel cells, one of the key technologies towards a sustainable, decarbonised and more efficient energy system. Therefore, a foreseeable result of the proposed work at the economy level is a contribution to the European innovation chain of Fuel Cell and Hydrogen technologies.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
List of publications |
|
|
I. Borbáth, K. Zelenka, Á. Vass, Z. Pászti, G.P. Szijjártó, Z. Sebestyén, G, Sáfrán, A. Tompos: CO tolerant Pt electrocatalysts for PEM fuel cells with enhanced stability against electrocorrosion., International Journal of Hydrogen Energy, revised manuscript, 2020 | I. Borbáth, K. Zelenka, Z. Pászti, G.P. Szijjártó, Z. Sebestyén, A. Tompos: Strategies to improve CO tolerance and corrosion resistance of Pt electrocatalysts for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, 23rd International Conference “New Cryogenic and Isotope Technologies for Energy and Environment"- EnergEn 2020, Băile Govora, Romania, May 25–27, 2020 (Oral), 2020 | I. Ayyubov, E. Tálas, I. Borbáth, T. Szabó, Z. Pászti, A. Domján, J. Mihály, A. Tompos: Graphite oxide based Ti(1-x)MoxO2 mixed oxide-carbon composite type electrocatalyst supports, 23rd International Conference “New Cryogenic and Isotope Technologies for Energy and Environment"- EnergEn 2020, Băile Govora, Romania, May 25–27, 2020 (Oral), 2020 | S. Somacescu, M. Florea, J.M. Calderon Moreno, P. Osiceanu, D. Culita, F. Neatu, S. Neatu, M.M. Trandafir, I. Borbath, E. Talas, A. Tompos: Mesoporous bifunctional electrocatalyst based Pt/NiWO4 for hydrogen oxidation and oxygen reduction reactions, 23rd International Conference “New Cryogenic and Isotope Technologies for Energy and Environment"- EnergEn 2020, Băile Govora, Romania, May 25–27, 2020 (Oral), 2020 | I. Borbáth, K. Zelenka, Á. Vass, Z. Pászti, G.P. Szijjártó, Z. Sebestyén, G, Sáfrán, A. Tompos: CO tolerant Pt electrocatalysts for PEM fuel cells with enhanced stability against electrocorrosion., International Journal of Hydrogen Energy, 46 (2021) 13534-13547, 2020 | Ș. Neațu, F. Neațu, I. M. Chirica, I. Borbáth, E. Tálas, A. Tompos, S. Somacescu, P. Osiceanu, M. A. Folgado, A. M. Chaparro, M. Florea: Recent progress on electrocatalysts and electrodes for portable fuel cells, Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI: 10.1039/D1TA03644K, 2021 | I. Borbáth, E. Tálas, Z. Pászti, K. Zelenka, I. Ayyubov, K. Salmanzade, I. E. Sajó, Gy. Sáfrán, A. Tompos: Investigation of Ti-Mo mixed oxide-carbon composite supported Pt electrocatalysts: Effect of the type of carbonaceous materials, Applied catalysis A- General, 620 (2021) 118155, 2021 | I. Ayyubov, I. Borbáth, Z. Pászti, Z. Sebestyén, J. Mihály, T. Szabó, E. Illés, A. Domján, M. Florea, D. Radu, A. Kuncser, A. Tompos, E. Tálas: Peculiarities of graphite oxide derived TiO2-carbon composites as electrocatalyst supports for polymer electrolyte membrane fuel cells, Topics in Catalysis, manuscript Ms. No.: TOCA-D-21-00067 submitted for publication, 2021 | I. Borbáth, K. Zelenka, Z. Pászti, G. P. Szijjártó, A. Tompos: Influence of the multifunctional mixed oxide-carbon composite support on the CO tolerance and stability of Pt electrocatalysts, 2nd International Conference on Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, Budapest, Hungary, 20-22 May 2021, 2021 | I. Borbáth, K. Zelenka, Á. Vass, Z. Pászti, G.P. Szijjártó, Z. Sebestyén, G, Sáfrán, A. Tompos: CO tolerant Pt electrocatalysts for PEM fuel cells with enhanced stability against electrocorrosion., International Journal of Hydrogen Energy, 46 (2021) 13534-13547, 2021 | Ș. Neațu, F. Neațu, I. M. Chirica, I. Borbáth, E. Tálas, A. Tompos, S. Somacescu, P. Osiceanu, M. A. Folgado, A. M. Chaparro, M. Florea: Recent progress on electrocatalysts and electrodes for portable fuel cells, Journal of Materials Chemistry A, 9 (2021) 17065, 2021 | I. Borbáth, E. Tálas, Z. Pászti, K. Zelenka, I. Ayyubov, K. Salmanzade, I. E. Sajó, Gy. Sáfrán, A. Tompos: Investigation of Ti-Mo mixed oxide-carbon composite supported Pt electrocatalysts: Effect of the type of carbonaceous materials, Applied catalysis A- General, 620 (2021) 118155, 2021 | I. Ayyubov, I. Borbáth, Z. Pászti, Z. Sebestyén, J. Mihály, T. Szabó, E. Illés, A. Domján, M. Florea, D. Radu, A. Kuncser, A. Tompos, E. Tálas: Peculiarities of graphite oxide derived TiO2-carbon composites as electrocatalyst supports for polymer electrolyte membrane fuel cells, Topics in Catalysis, 2021, 2021 | S. Somacescu, P. Osiceanu, J. M. Calderon Moreno, D. C. Culita, F. Neațu, M. M. Trandafir, Ș. Neațu, A. Kuncser, G. P. Szijjártó, E. Tálas, A. Tompos, I. Borbáth, M. Florea: Design of electrocatalysts with reduced Pt content supported on mesoporous NiWO4 and NiWO4-graphene nanoplatelets composite for oxygen reduction and hydrogen oxidation in acidic medium, International Journal of Hydrogen Energy, Accepted 26 April 2022, 2022 | E. Tálas, I. Ayyubov, A. Vulcu, C. Berghian-Grosan, I. Borbáth, Z. Pászti, Gy. Sáfrán, J. Mihály, Á. Szegedi, A. Tompos: Use of the ball milling technique in the preparation of potential catalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), Book of abstract RomCat 2022 (13th International Symposium of The Romanian Catalysis Society, June 22-24, 2022, Baile Govora, Romania), pp. 21-22., 2022 | I. Borbáth, K. Salmanzade, E. Tálas, Z. Pászti, K. Zelenka, I. Ayyubov, C. Silva, G. Sáfrán, I.E. Sajó, A. Tompos: Requirements for multifunctional composite supports and electrocatalysts to achieve high CO tolerance and stability, Book of abstract RomCat 2022 (13th International Symposium of The Romanian Catalysis Society, June 22-24, 2022, Baile Govora, Romania), pp. 19-20., 2022 | I. Borbáth, K. Salmanzade, E. Tálas, Z. Pászti, C. Silva, I.E. Sajó, S. Neatu, A. Kuncser, D. Radu, M. Florea, A. Tompos: Design of Ti–Sn mixed oxide–carbon composite supports for Pt-based electrocatalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells: peculiarities of preparation., Book of abstract RomCat 2022 (13th International Symposium of The Romanian Catalysis Society, June 22-24, 2022, Baile Govora, Romania), pp. 17-18., 2022 | C. Silva, I. Borbáth, K. Zelenka, I. E. Sajó, G. Sáfrán, A. Tompos, Z. Pászti: Effect of the reductive treatment on the state and electrocatalytic behavior of Pt in catalysts supported on Ti0.8Mo0.2O2–C composite., Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 135 (2022) 29–47. Open Access., 2022 | I. Ayyubov, E. Tálas, K. Salmanzade, A. Kuncser, Z. Pászti, Ș. Neațu, A.G. Mirea, M. Florea, A. Tompos, I. Borbáth: Electrocatalytic Properties of Mixed-Oxide-Containing Composite-Supported Platinum for Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cells., Materials, 2022, 15, 3671, 2022 |
|
|
|
|
|
|
Back »
|
|
|