Übergangs- und Edelmetalloxide für Anwendungen zur nachhaltigen Energieumwandlung und -speicherung

3D-Übergangsmetalle (Ni, Co, Fe) und Edelmetalle (Ir, Ru) und ihre Oxide weisen eine vielversprechende Aktivität und Stabilität bei der Sauerstoffentwicklung auf (Anodenreaktion in Wasserelektrolysatoren). Ein umfassendes Verständnis der Funktionsweise und des Abbaus dieser Elektrokatalysatoren ist für die wissensbasierte Entwicklung von Elektrodenmaterialien für die Wasserstofferzeugung unerlässlich. Hier verwenden wir multimodale Ansätze, um die Aktivierungs- und Abbauprozesse der Elektrokatalysatoren während der Reaktion zu beleuchten. So haben wir beispielsweise APT mit röntgenbasierter Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, elektrochemischer Impedanzspektroskopie und elektrochemische Messungen eingesetzt, um strukturelle und kompositionelle Veränderungen von 10 nm großen Co-Fe-Spinelloxiden nach verschiedenen Zyklen während der Sauerstoffentwicklungsreaktion zu untersuchen. Die APT-Daten zeigen Co-reiche und Fe-reiche Nanodomänen in Co₂FeO₄-Nanopartikeln aufgrund der Mischungslücke. Wir haben die zeitlichen Veränderungen der Zusammensetzung und der Struktur von Oxid-Nanopartikeln auf atomarer Ebene aufgedeckt, um zu klären, wie sie während der Oxidations- und Reduktionszyklen abgebaut werden.

Veröffentlichung:

W. Xiang, N. Yang, X. Li, J. Linnemann, U. Hagemann, O. Ruediger, M. Heidelmann, T. Falk, M. Aramini, S. DeBeer, M- Muhler, K. Tschulik, T. Li; 3D atomic-scale imaging of mixed Co-Fe spinel oxide nanoparticles during oxygen evolution reaction, Nature Communicatoins 13(1) (2022) 179. 

Wir setzen die APT auch ein, um die dreidimensionale Struktur der ersten Atomschichten des elektrochmisch gewachsenen Iridiumoxids während der Sauerstoffentwicklung aufzudecken. Wir konnten zeigen, dass sich während der Sauerstoffentwicklung eingeschränkte, nicht stöchiometrische Ir-O-Spezies bilden, die sich allmählich in IrO₂ umwandeln, was zu einer Verbesserung der Stabilität, aber zu einem Rückgang der Aktivität führt. Außerdem konnten wir durch das elektrochemische Wachstum von Oxid in deuterierten Lösungen Hydroxygruppen und Wassermoleküle in den Bereichen der Oxidschicht nachweisen, die für die Sauerstoffentwicklung und die Ir-Auflösungsreaktion bevorzugt werden.

Veröffentlichung:

T. Li, O. Kasian, S. Cherevko, S. Zhang, S. Geiger, C. Scheu, P. Felfer, D. Raabe, B. Gault, K. Mayrhofer, Atomic-scale insights into surface species of electrocatalysts in three dimensions, Nature catalysis, 1(4) (2018) 300-305.