Synthesis of high-performance electrochemical energy materials and elucidation of catalytic reaction mechanisms via in-situ analysis

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) offer a sustainable energy solution with non-precious metal catalysts, reduced degradation, and fuel flexibility. However, the sluggish oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode and durability concerns impede commercialization. To address these challenges, this study presents a dual-atomic SiFe−N−C catalyst derived from pinecones, a naturally abundant biomass resource. The catalyst features a nitrogen-rich porous carbon matrix that stabilizes Si−Fe dual-atomic sites during pyrolysis. Advanced analyses confirm Fe−Si and Fe−N bonds, which synergistically enhance ORR activity by optimizing electronic structures and intermediate adsorption energies. The SiFe−N−C catalyst surpasses Pt/C and Fe−N−C single-atom benchmarks with superior ORR activity and excellent long-term durability supported by high resistance to CO poisoning as well as methanol crossover. It also demonstrates a promising electrochemical performance as a catalytic material for the sperator of Li-S battery. Mechanistic studies reveal that the Si−Fe dual-atomic configuration promotes an efficient Fe−O−O−Si pathway, reducing energy barriers and offering a cost-effective, high-performance solution for electrochemical energy conversion and storage applications.

국문 초록 (Abstract)

음이온교환막 연료전지(Anion exchange membrane fuel cells, AEMFCs)는 비귀금속 촉매 적용 가능성, 상대적으로 낮은 열화 특성, 그리고 연료 선택의 유연성 측면에서 지속가능한 에너지 변환 기술로 주목받고 있다. 그러나 캐소드에서의 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR) 속도 저하와 내구성 문제는 AEMFC의 상용화를 제한하는 핵심 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 자연에 풍부한 바이오매스 자원인 솔방울로부터 유래한 Si–Fe 이중원자(dual-atomic) 촉매(SiFe–N–C)를 제안하였다. 제조된 촉매는 질소가 풍부한 다공성 탄소 매트릭스를 기반으로 하며, 열처리 과정에서 Si–Fe 이중원자 활성점을 안정적으로 고정화할 수 있도록 설계되었다. 또한, 고해상도 분석을 통해 Fe–Si 및 Fe–N 결합 형성이 확인되었고, 이는 전자구조 및 반응 중간체 흡착 에너지의 최적화를 통해 ORR 활성 향상에 기여함을 확인하였다. SiFe–N–C 촉매는 상용 Pt/C 및 Fe–N–C 단일원자 촉매 대비 우수한 ORR 성능을 나타냈으며, CO 피독 및 메탄올 크로스오버에 대한 높은 저항성을 바탕으로 장시간 구동 내구성 또한 향상되었다. 더불어 본 촉매는 리튬-황(Li–S) 전지의 분리막 코팅용 촉매 소재로 적용 가능성을 보여 전기화학적 에너지 저장 분야에서도 유망한 성능을 확인하였다. 메커니즘 분석 결과, Si–Fe 이중원자 구조는 Fe–O–O–Si 경로를 통한 효율적인 반응 진행을 유도하여 반응 장벽을 낮추는 것으로 나타났다. 종합적으로 본 연구는 바이오매스 기반 이중원자 촉매 설계를 통해 AEMFC용 고활성/고내구 ORR 촉매 개발 및 에너지 변환/저장 응용 확장 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. General Introduction 1
• Chapter 2. Synthesis of High-Performance Electrochemical Energy Materials and Elucidation of Catalytic Reaction Mechanisms via In-Situ Analysis 5
• 2.1 Introduction 5
• 2.2. Methods 9
• 2.2.1. Chemicals 9
• 2.2.2. Catalyst synthesis 9
• 2.2.3. Material characterizations 10
• 2.2.4. Electrochemical performances 12
• 2.3. Result and discussion 16
• 2.3.1. Catalyst design and atomic structural analysis 16
• 2.3.2. Materials characterizations 18
• 2.3.3 Electrocatalytic properties 20
• 2.3.4. Bifunctional applications for lithium sulfur battery 23
• 2.3.5. Coordination environment and oxidation states 27
• 2.3.6. Mechanism study: Experimental and theoritical study 29
• 2.4. Conclusion 32
• 2.5. Figures 33
• References 44
• Appendix 50