Dokument: Metal-Organic Framework and Covalent Triazine Framework Based Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction

Titel:	Metal-Organic Framework and Covalent Triazine Framework Based Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction
Weiterer Titel:	Metall-organische Gerüst- und kovalente Triazin-Gerüst-basierte Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56659
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210628-104211-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Öztürk, Secil [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 12,71 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.06.2021 / geändert 23.06.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Janiak, Christoph [Gutachter] Prof. Dr. Ganter, Christian [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	In der vorliegenden Arbeit wurden kovalente Triazin-basierte Netzwerke (CTFs) und Metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs) synthetisiert und charakterisiert, um als Katalysatoren für die elektrochemische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) untersucht zu werden. In dem ersten Teil dieser Arbeit lag der Forschungsschwerpunkt auf der Untersuchung von CTF-basierten OER-Katalysatoren. CTFs wurden aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie leicht verfügbare und billige Ausgangsmaterialien, einfache Synthese, hohe chemische und thermische Stabilität und große innere Oberfläche ausgewählt. Zunächst wurden die CTF-1 Materialien, ausgehend von 1,4-Dicyanobenzen, über eine Ionothermalsynthese bei 400 °C und 600 °C synthetisiert. Anschließend wurden die CTF-1 Materialien mit unterschiedlichen Mengen an Nickel-Nanopartikeln mittels einer mikrowellenunterstützten Synthese beladen. Die Synthese wurde dabei in einer ionischen Flüssigkeit (IL) durchgeführt, die gleichzeitig als Lösungsmittel und Stabilisator dient. Nach einer gründlichen Charakterisierung der Materialien, wurde deren katalytische Aktivität bezüglich der Sauerstoffentwicklungsreaktion und der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) untersucht. Unter den getesteten Materialien zeigte das Kompositmaterial Ni/CTF-1-600 die besten Eigenschaften, sowohl für die Sauerstoffentwicklungs- als auch für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Um bei der OER eine Stromdichte von 10 mA/cm2 zu erreichen, wurde eine geringe Überspannung von 374 mV beobachtet, während für die ORR ein Halbwellenpotential von 0.775 V gefunden wurde. Ferner zeigte Ni/CTF-1-600 eine hohe Stabilität bei allen elektrochemischen Prozessen und erreichte eine bessere OER Leistungsfähigkeit als das derzeitige Referenzmaterial RuO2. Ni/CTF-1-600 ist außerdem der erste in der Literatur beschriebene und gleichzeitig effiziente Ni/CTF Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion. In einem zweiten Teil wurden MOF-basierte Materialien als mögliche OER Katalysatoren untersucht. MOFs sind aufgrund ihrer positiven Eigenschaften, wie ihrer abstimmbaren Struktur, hoher innerer Oberfläche und einzigartigen Poren/Kanal-Struktur, bereits vielfältig untersucht. Dennoch zeigen reine MOF-Materialien im Hinblick auf eine Anwendung als OER Katalysator auch Nachteile, wie zum Beispiel eine geringe Leitfähigkeit und nur mäßige Stabilität. Zunächst wurde das reine MOF Ni(Fe)-MOF-74 und das Kompositmaterial Ni(Fe)-MOF/KB über eine solvothermale Einptopf-Synthese ausgehend von Fe(OAc)2, Ni(NO3)2∙6H2O, 2,5-Dihydroxyterephthalsäure, und im Fall des Komposits mit dem Kohlenstoff-Material Ketjenblack (KB), in einer DMF/EtOH/H2O Mischung bei 120 °C über 24 h hergestellt. Die so erhaltenen Materialien wurden charakterisiert und bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit für die elektrochemische Sauerstoffentwicklungsreaktion untersucht. Ni(Fe)-MOF/KB zeigte eine außerordentlich gute OER Leistung, da lediglich eine Überspannung von 274 mV benötigt wurde, um eine Stromdichte von 10 mA/cm2 zu erreichen. Des Weiteren wurde eine geringe Tafel-Steigung von 40.4 mV/dec beobachtet. Ferner zeigte Ni(Fe)-MOF/KB die höchste Stromdichte von 650 mA/cm2 bei einer angelegten Spannung von 1.7 VRHE. Zusammenfassend konnte durch die Kombination des leitfähigen und hochporösen Ketjenblack die geringe Leitfähigkeit des MOFs verbessert werden und überzeugende Ergebnisse im Bereich der OER erreicht werden. Auch hier wurde zum ersten Mal in der Literatur ein MOF/KB Komposit erfolgreich für die elektrochemische Sauerstoffentwicklungsreaktion verwendet. In this thesis, the synthesis and characterization of covalent-triazine framework (CTF) and metal-organic framework (MOF) based materials are studied to develop efficient catalysts for electrochemical oxygen evolution reaction (OER). In the first part, research focus was on the investigation of OER catalysts that are based on CTFs due to their advantages like readily available cheap starting materials, easy synthesis, high chemical and thermal stability and high surface areas. First, CTF-1 materials are synthesized from 1,4-dicyanobenzene at 400 °C and 600 °C via ionothermal method. Following, different amounts of nickel nanoparticles were supported on CTF-1 materials by rapid microwave-assisted synthesis in the ionic liquid (IL). After in depth characterization of the materials, the electrocatalytic activity towards oxygen evolution reaction and oxygen reduction reaction (ORR) were tested. Among them, Ni/CTF-1-600 showed the best performance for both OER, by requiring 374 mV to reach a current density of 10 mA/cm2, and ORR displaying a half-wave potential of 0.775 V. Ni/CTF-1-600 showed also high stability and even better OER performance than the benchmark RuO2 catalyst. It was also first time in the literature that a Ni/CTF catalyst was investigated for OER and found to be a highly efficient catalyst. In the second part, MOF-based materials are investigated as OER electrocatalysts. MOFs are in focus for OER owing to their tunable structure and compositions, high surface area and unique pore/channel structures. Nevertheless, pristine MOFs have issues of low electric conductivity and stability. The pristine Ni(Fe)-MOF-74 and the Ni(Fe)-MOF/KB composite are prepared via one-step solvothermal method from Fe(OAc)2, Ni(NO3)2∙6H2O, 2,5-dihydroxyterephthalic acid and in the case of the composite with the carbon material ketjenblack (KB) in a DMF/EtOH/H2O mixed solution at 120 °C for 24 h. The synthesized Ni(Fe)-MOF/KB composite as well as pristine Ni(Fe)-MOF-74 are characterized and tested for electrochemical OER. Ni(Fe)-MOF/KB showed a remarkable OER performance by requiring only 274 mV to reach a current density of 10 mA/cm2 and a small Tafel slope of 40.4 mV/dec. It also displayed the highest current density of 650 mA/cm2 at an applied voltage of 1.7 VRHE. As a result, the strategy of combining the conductive and porous ketjenblack and a poor conductive MOF to get better OER performance was found very advantageous. With this research, the first example of a MOF/KB composite as an efficient OER electrocatalyst has been elucidated in the literature.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Anorganische Chemie und Strukturchemie
Dokument erstellt am:	28.06.2021
Dateien geändert am:	28.06.2021
Promotionsantrag am:	25.02.2021
Datum der Promotion:	28.05.2021