Design of transition metal-based nanostructured electrocatalysts

Abstract

Traditionelle Energiequellen wie Kohle und Erdöl dominieren nach wie vor unsere Energielandschaft. Ihre Nutzung trägt jedoch erheblich zur Umweltverschmutzung, zu erhöhten Treibhausgasemissionen und zum unumkehrbaren Klimawandel bei. Um diesen drängenden Problemen entgegenzuwirken, ist die Entwicklung nachhaltiger Energieträger wie Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) von entscheidender Bedeutung, um die Verknappung fossiler Brennstoffe abzumildern. Vor diesem Hintergrund erweisen sich umweltfreundliche und erneuerbare Energieumwandlungs- und -speicherlösungen, einschließlich Wasserspaltung, Brennstoffzellen und Batterien, als vielversprechende Strategien zur Bewältigung unserer derzeitigen Energie- und Umweltprobleme. Im Mittelpunkt dieser Technologien stehen die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR). Eine entscheidende Herausforderung bei diesen Technologien ist die Entwicklung kostengünstiger und effizienter Katalysatoren, die für Prozesse wie die wässrige Wasserspaltung und Metall-Luft-Batterien unerlässlich sind. Diese Studie fasst die wesentlichen Parameter für die Bewertung der Leistung von Sauerstoff-Elektrokatalysatoren zusammen, gibt einen Überblick über die jüngsten Durchbrüche auf dem Gebiet der Sauerstoff-Elektrokatalysatoren und schlägt künftige Forschungsrichtungen vor. Darüber hinaus werden die Beiträge des Autors zu diesem Forschungsbereich hervorgehoben, die die Synthese, Charakterisierung und Bewertung der elektrochemischen Leistung von Sauerstoff-Elektrokatalysatoren umfassen. In dieser Doktorarbeit stellen wir Richtlinien für die Entwicklung von Elektrokatalysatoren vor, die sich darauf konzentrieren, durch kontrollierte morphologische Anpassungen mehr aktive Stellen freizulegen und die katalytische Wirksamkeit durch Manipulation der elektronischen Struktur zu erhöhen. Konkret werden poröse ZIF-67-Polyeder als Vorstufen für verschiedene Behandlungen wie die Immobilisierung von Polyoxometallaten, Säureätzung, Karbonisierung oder Sulfidierung verwendet. Die resultierenden Verbundwerkstoffe behalten die poröse Architektur der ZIF-67-Polyeder bei und bieten mehr aktive Stellen für die Elektrokatalyse. Darüber hinaus werden ultradünne Pd-Metallene (Sub-Nanometer und gekrümmte Metall-Nanoblätter) hergestellt und mit Defekttechniken modifiziert, einschließlich der Einführung von Poren, konkaven Strukturen und MoOx/WOx-Dotierung. Charakterisierungstechniken wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Rasterkraftmikroskopie (AFM), hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) und elementares Mapping wurden eingesetzt, um die Morphologie und die elementare Zusammensetzung zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen die poröse Struktur von Verbundwerkstoffen auf ZIF-67-Basis sowie ultradünne und defekte Merkmale von Pd-Metallen. Analytische Methoden wie Röntgenbeugung (XRD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) und Raman-Spektroskopie wurden zur Analyse der Zusammensetzung und der elektronischen Strukturen eingesetzt. Die elektrokatalytischen Aktivitäten und Langzeitstabilitätstests der entwickelten Katalysatoren wurden für verschiedene Reaktionen, insbesondere OER und ORR, gründlich bewertet. Im Anschluss an diese Bewertungen wird eine gründliche Bewertung der postkatalytischen chemischen und strukturellen Integrität durchgeführt, um die tatsächlichen aktiven Stellen für OER und ORR zu verstehen. Gleichzeitig wird eine eingehende Untersuchung der elektrochemisch aktiven Oberfläche und des Elektronentransferprozesses an der Grenzfläche durchgeführt, um unser Verständnis der beteiligten katalytischen Mechanismen zu vertiefen. Insgesamt zeigen diese Elektrokatalysatoren eine außergewöhnliche Leistung, die durch niedrige Überspannungen und eine bemerkenswerte Ausdauer von mehreren bis zu Dutzenden von Stunden gekennzeichnet ist. Diese überragende Leistung ist auf ihre inhärente Aktivität, die zahlreichen aktiven Stellen, die große Oberfläche und ihre fein abgestimmten elektronischen Strukturen zurückzuführen.