Dokument: Metall-organische Gerüstverbindungen und deren Komposite als Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Sauerstoffentwicklungsreaktion
| Titel: | Metall-organische Gerüstverbindungen und deren Komposite als Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Sauerstoffentwicklungsreaktion | |||||||
| Weiterer Titel: | Metal-organic frameworks and their composites as electrocatalysts for the electrochemical oxygen evolution reaction | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=70127 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20250709-130927-6 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Sondermann, Linda [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Janiak, Christoph [Gutachter] Prof. Dr. Ganter, Christian [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | In der vorliegenden Dissertation wurden Metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs) und deren Komposite synthetisiert, charakterisiert und auf ihre elektrokatalytische Aktivität in Bezug auf die elektrochemische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) untersucht. Die OER ist neben der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) eine der beiden Teilreaktionen der elektrochemischen Wasserspaltung und wird, aufgrund ihrer größeren kinetischen Hemmungen, als die anspruchsvollere von beiden Reaktionen angesehen. Drei Veröffentlichungen, die sich mit der Suche nach effizienten OER-Elektrokatalysatoren beschäftigen, wurden im Rahmen der vorliegenden Dissertation publiziert. In der ersten Veröffentlichung wurde der Fokus auf das MOF Ni10Co-BTC (BTC = 1,3,5-Benzoltricarboxylat) und insbesondere auf dessen Komposit mit dem hoch porösen und elektrisch leitfähigen Kohlenstoffmaterial Ketjenblack (KB) gelegt, da reine MOFs nur eine geringe elektrische Leifähigkeit aufweisen. Das MOF-Komposit wurde mit KB solvothermal synthetisiert und das MOF sowie deren Komposit als Elektrokatalysatoren für die OER im alkalischen Medium mithilfe einer Glaskohlenstoffelektrode als Arbeitselektrode (AE) getestet. Beide Arten von Materialien haben nach der OER eine strukturelle Veränderung hin zu ihren Metall(oxy)hydroxiden aufgezeigt. Dies veranschaulichte, dass das MOF und dessen Komposit Vorstufen für die eigentlichen Elektrokatalysatoren waren. Vor den Stabilitätstests wies, im Vergleich zueinander, dass aus dem Komposit erhaltene Material (Überspannung bei 10 mA/cm2 η10,Komposit = 366 mV, η10,MOF = 378 mV) und nach diesen Tests das aus dem MOF erhaltene Material (η10,Komposit = 347 mV, η10,MOF = 337 mV) eine bessere OER-Aktivität auf. Daraus wurde gefolgert, dass bei den auf Ni10Co-BTC-basierenden Elektrokatalysatoren die elektrische Leitfähigkeit kein limitierender Faktor für die OER-Aktivität ist. Beide Materialarten zeigten dazu eine verbesserte OER-Aktivität gegenüber Ni/NiO-Nanopartikeln (η10 = 370 mV → 358 mV), jedoch eine geringere OER-Aktivität im Vergleich zu dem auf Ni10Fe-BTC-basierenden Elektrokatalysator (η10 = 346 mV → 344 mV) auf. Bei der zweiten Veröffentlichung wurden mithilfe der mechanochemischen MOF-Synthese die MOFs HKUST-1 (HKUST = Hong Kong University of Science and Technology, Cu-BTC) und dessen analoge CuxRu-BTC hergestellt. Die mechanochemsiche Methode ermöglichte dabei eine schnelle, einfach skalierbare Synthese mit sehr geringen Mengen an Lösungsmittel. Dabei sollte ein optimaler Anteil des Edelmetalls Ru in den aus den MOF erhaltenen Elektrokatalysatoren gefunden werden. Der auf Cu10Ru-BTC-basierende Elektrokatalysator zeigte die beste OER-Aktivität (alkalisches Medium, Nickelschaum AE) auf, selbst im Vergleich zum Benchmark Elektrokatalysatoren RuO2 auf (Cu10Ru-BTC: η10 = 314 mV, Tafel-Steigung b = 55 mV/dec, Ladungstransferwiderstand RCT = 13,6 Ω, Faraday’sche Effizienz (FE) = 70%; RuO2: η10 = 312 mV, b = 47 mV/dec, RCT = 52,8 Ω, FE = 66%). In der letzten Veröffentlichung wurden anknüpfend an der ersten Publikation Ni-BTC- und NixFe-BTC MOFs und ihre Komposite mit KB und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) solvothermal synthetisiert. In diesen MOFs wurde der Anteil an Eisen variiert und die Komposite entweder in situ oder post-synthetisch hergestellt. Die Auswirkungen des Eisenteils sowie der gewählten Komposit-Synthesevariante auf die OER-Aktivität (alkalisches Medium, Kohlenstoffpapier AE) wurden untersucht. Abhängig vom eingesetzten Kohlenstoffmaterial und Metallverhältnis konnte festgestellt werden, dass die Herstellungsmethode des Komposits einen maßgeblichen Einfluss auf die OER-Aktivität hatte. Der Elektrokatalysator, der aus Ni5Fe-CNT erhalten wurde, zeigte insgesamt die beste Leistung hinsichtlich der OER (Ni5Fe-CNT: η10 = 301 mV, b = 58 mV/dec, RCT = 7 Ω, FE = 95%; RuO2: η10 = 354 mV, b = 91 mV/dec, RCT = 39 Ω, FE = 91%).In this thesis metal-organic frameworks (MOFs) and their composites were synthesized, characterized and checked for their electrocatalytic activity for the oxygen evolution reaction (OER). The OER is, next to the hydrogen evolution reaction (HER), due to its higher kinetic barriers the more challenging half-reaction of electrochemical water splitting. Three publications were published as part of this thesis with the goal to find efficient OER-electrocatalysts. In the first publication the focus was on the MOF Ni10Co-BTC (BTC = 1,3,5-benzenetricarboxylate) and especially its composite with the highly porous and electrically conductive carbon material Ketjenblack (KB) due to the low electrical conductivity of pristine MOFs. The composite with KB was solvothermal synthesized and the MOF and its composite were tested as electrocatalysts for the OER in alkaline medium with a glassy carbon electrode as the working electrode (AE). Both materials have undergone a structural change to their metal(oxy)hydroxides after the OER, which presents that the MOF and its composite were precursors for the actual electrocatalysts. Before the stability test the composite-derived material (overpotential at 10 mA/cm2 η10,Composite = 366 mV, η10,MOF = 378 mV) and afterwards the MOF-derived material (η10,Composite = 347 mV, η10,MOF = 337 mV) show a better OER-activity. It was concluded that the conductivity is not the limiting factor for the OER activity in case of the Ni10Co-BTC-derived electrocatalysts. Ni10Co-BTC-derived electrocatalyst and the Ni10Co-BTC-composite-derived electrocatalyst exhibited a higher OER activity than Ni/NiO-nanoparticles (η10 = 370 mV → 358 mV), but a lower OER-activity in comparison to the Ni10Fe-BTC-derived electrocatalyst (η10 = 346 mV → 344 mV). The second publication used a mechanochemical MOF-synthesis to produce HKUST-1 (HKUST = Hong Kong University of Science and Technology, Cu-BTC) and analog CuxRu-BTC MOFs. The mechanochemical method facilitates a fast, easily scalable synthesis with only needing a minimal amount of solvent. The optimal amount of the precious metal Ru in the MOF-derived electrocatalysts was searched for. The Cu10Ru-BTC-derived electrocatalyst showed the best OER activity (alkaline medium, nickel foam AE) even in comparison to the benchmark material RuO2 (Cu10Ru-BTC: η10 = 314 mV, Tafel-slope b = 55 mV/dec, charge transfer resistance RCT = 13,6 Ω, faradaic efficiency (FE) = 70%; RuO2: η10 = 312 mV, b = 47 mV/dec, RCT = 52,8 Ω, FE = 66%). Following up from the first publication, in the final publication Ni-BTC- and NixFe-BTC MOFs and their composites with KB and carbon nanotubes (CNTs) were solvothermally synthesized. The amount of iron in the MOFs was varied and the composites were produced either in situ or post-synthetically. The effects of the varied iron content and the synthesis method of the composite on the OER activity (alkaline medium, carbon paper AE) were studied. Depending on the carbon material and metal ratio, the in situ or post-synthetic composites performed better, showing that the method to generate the composite can influence the OER activity. The Ni5Fe-CNT-derived electrocatalyst performed best in the OER (Ni5Fe-CNT: η10 = 301 mV, b = 58 mV/dec, RCT = 7 Ω, FE = 95%; RuO2: η10 = 354 mV, b = 91 mV/dec, RCT = 39 Ω, FE = 91%). | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Anorganische Chemie und Strukturchemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 09.07.2025 | |||||||
| Dateien geändert am: | 09.07.2025 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 21.05.2025 | |||||||
| Datum der Promotion: | 07.07.2025 |
