Mesoporöse Oxide als effiziente Katalysatoren für die elektrokatalytische Sauerstoffevolutionsreaktion (OER)

Hydrogen is considered an important energy carrier and feedstock for industrial applications. The generation of hydrogen can be realised by electrocatalytic water splitting. However, the efficiency of water electrolysers is limited by the slow kinetics of oxygen evolution reaction (OER). An increase in mass based OER activity is mandatory for a lower capital cost of electrolyser cells. In this thesis, synthesis routes are presented for new mesoporous metal oxide films used as catalytic layers for OER in alkaline or acidic media. The catalytic layers contain different metal oxides, such as NiO, IrO2 and IrO2/TiO2. The synthesis of metal oxide coatings with high accessible ordered mesopore structure was achieved via evaporation induced self assembly. The synthesis succeeds by utilizing PEO-b-PB-b-PEO triblock copolymers as a pore template, a suitable metal oxide precursor, and a final heat treatment under air. The synthesis conditions and corresponding physicochemical characterisations are shown in the discussion. Correlation of structure and OER activity was used to deduce structure-activity relationships. These relationships were then used to identify the most significant OER-controlling parameters. All identified OER-controlling parameters were combined in order to develop an OER-model describing which structural properties benefit OER activity the most. Furthermore, the influence on kinetic parameters such as Tafel slope was investigated. High OER-activities and low Tafel slopes were found for materials with low crystallinity, high surface area, high conductivity and electrocatalytic measurements conducted at moderate overpotentials (ca. η < 0,35 V). In order to demonstrate the commercial relevance of the catalytic layers synthesised in this work, their OER activity was compared with commercial reference catalysts. It was shown that oxide layers of this work exhibit a 11 to 24 times higher iridium mass based OER activity compared to commercial reference catalysts.Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger der Zukunft und findet Verwendung in einer Vielzahl industrieller Prozesse. Die elektrokatalytische Wasserspaltung stellt eine wichtige Möglichkeit der Wasserstoffgewinnung dar und wird durch einen komplexen Mechanismus an der sauerstofferzeugenden Anode limitiert. Die Erhöhung der Massenaktivität eingesetzter Katalysatoren führt zur Verringerung der Investitionskosten von Elektrolyseuren. Die vorliegende Doktorarbeit zeigt die Synthese mesoporöser Oxidfilme als saure oder alkalische OER-Elektrokatalysatoren. Die Katalysatoren basieren auf unterschiedlichen Metalloxiden, wie NiO, IrO2 und IrO2/TiO2. Die Herstellung oxidischer Filme erfolgte mittels Tauchbeschichtung und basiert auf einer verdampfungsinduzierten Selbstanordnung eines PEO-b-PB-b-PEO Blockcopolymers als Porentemplat und eines geeigneten Metalloxidpräkursors sowie einer anschließenden thermischen Behandlung. Die jeweiligen Synthesen und physikochemischen Charakterisierungen der einzelnen Verbindungen werden im Diskussionsteil beschrieben. Die Korrelation von Struktur und OER-Aktivität erlaubte das Ableiten von Struktur-Aktivitäts- Beziehungen. Diese Beziehungen konnten genutzt werden, um OER-Einflussparameter zu identifizieren. Die Verwendung verschiedener Systeme mit spezifischen Eigenschaften erlaubte die gezielte Untersuchung der wichtigsten OER-Einflussparameter. Durch Zusammenfassen der wichtigsten OER-Einflussparameter wurde ein mögliches OER-Model vorgeschlagen. Das OER-Model beschreibt, bei welchen strukturellen Eigenschaften hohe OER-Aktivitäten erwartet werden können. Zusätzlich wurde der Einfluss auf kinetische Kenngrößen, wie etwa dem Tafelanstieg, berücksichtigt. Hohe OER-Aktivitäten und geringe Tafelanstiege werden vor allem für Materialien mit geringer Kristallitgröße, hoher aktiver Oberfläche, hoher Leitfähigkeit sowie bei elektrokatalytischen Messungen mit moderaten Überspannungen (ca. η < 0.35 V) beobachtet. Katalysatoren, welche nach dem postulierten OER-Model, hohe OER-Aktivitäten zeigen, wurden mit kommerziellen Referenzsystemen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit hergestellten Oxidfilme über eine 11- bis 24- fach höhere OER-Aktivität bezogen auf die eingesetzte Masse an Iridium Metall im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Katalysatorpulvern verfügen.BMBF, FKZ 03K3009, Design hocheffizienter Elektrolysekatalysatore

Bridging experiment and theory: enhancing the electrical conductivities of soft-templated niobium-doped mesoporous titania films

Theoretical calculations suggest a strong dependence of electrical conductivity and doping concentration in transition-metal doped titania. Herein, we present a combined theoretical and experimental approach for the prediction of relative phase stability and electrical conductivity in niobium-doped titania as model system. Our method paves the way towards the development of materials with improved electrical properties.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2021BMBF, 03EK3052A, Verbundvorhaben ATO-KAT: Atomar dünn beschichtete poröse Elektroden als neuartige Katalysatoren für die Wasser-Elektrolyse: - leitfähige Träger und Elektrochemie