Entwicklung neuartiger MnPc, NiCoOx, Mn$_{x}$Co$_{y}$CO$_{3}$ Systeme für den Einsatz als elektrochemische Elektrodenmaterialien in der alkalischen Wasserspaltung

• Development of novel MnPc, NiCoOx,Mn$_{x}$Co$_{y}$CO$_{3}$ systems for use as electrochemical electrode materials inalkaline water splitting

Broicher, Cornelia; Palkovits, Regina (Thesis advisor); Liauw, Marcel (Thesis advisor); Tüysüz, Harun (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Aufgrund der fortschreitenden Ressourcenverknappung ist die elektrochemische Spaltung von Wasser mit Nichtedelmetallen für die zukünftige Energieversorgung von großer Bedeutung. Die Wasserspaltung besteht aus zwei Halbzellenreaktionen, der Wasserstoffentwicklungsreaktion(HER) und der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Die OER verfügt über einen komplexen Reaktionsmechanismus, welcher kinetisch limitiert ist. Diese Arbeit liefert grundlegende Einblicke in die komplexe Beziehung zwischen Materialzusammensetzung und Morphologie sowie in deren individuellen Einfluss auf die OER-Aktivität und -Stabilität. Mit Hilfe eines Templatierungsverfahrens wurden Materialien auf Basis von Mn-Phthalocyaninen (MnPc) und Spinell-Ni/Co-Oxiden (NiCoOx) erhalten, um eine Mesoporosität mit einer maßgeschneiderten Porengröße von 4nm zu erreichen. Weiterhinwurden nicht poröse Mn/Co-Materialien mit kontrollierter Partikelgröße und Morphologie synthetisiert. Ein Teil der Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von MnPc-Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis. Diese zeigten eine geordnete mesoporöse CMK-3-Struktur sowie eine OER-Aktivität bei 10mAcm−2 mit einer Überspannung (OP) von470mV. MnPc-Katalysatoren zeigten jedoch eine schlechte OER-Stabilität, welche mit der Kohlenstoffzersetzung während der OER in alkalischen Medien verbunden ist. Diese Aktivität kann auf eine effiziente Graphitisierung und eine hohe Mn-Dispersion zusammenmit einem maßgeschneiderten Ox-Zustand von Mn2+ zurückgeführt werden. Übergangsmetalloxide sind bekanntermaßen unter alkalischen OER-Bedingungen stabil. Zusätzlich zu den Einblicken in den Reaktionsmechanismus konnte eine signifikante Verbesserung der katalytischen Aktivität (350mV bei 10mAcm−2 mit mesoporösem NiCo2O4) erzielt werden anhand der Templatierung mittels KIT-6 im Vergleich zu untemplatiertem NiCoOx. Darüber hinaus wurden robuste Syntheserouten entwickelt, um die geometrische Struktur von Partikeln anzupassen und unterschiedliche Formen von (Mn/Co)CO3 wie Kugeln, Kuben und Stäbchen zu erhalten. OER-Tests bei 10mA cm−2 zeigten ein OP von 360mVfür 1,9 μm Kantenlänge. Die Größe und das Design von (Mn/Co)CO3-Partikeln haben aufgrund der anteiligen Phase des MnCo2O4-Spinell einen entscheidenden Einfluss auf die OER-Aktivität, da die intrinsische Katalysatoraktivität beeinflusst wird.