Eisen-Nickel-basierte Doppelschichthydroxide als Elektrokatalysatoren für die alkalische Wasserelektrolyse

Berger, Maike; Palkovits, Regina; Liauw, Marcellus

doi:HT031323449

Eisen-Nickel-basierte Doppelschichthydroxide als Elektrokatalysatoren für die alkalische Wasserelektrolyse = Iron-nickel-based double-layer hydroxides as electrocatalysts for alkaline water electrolysis

Berger, Maike^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maike Berger, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Palkovits, Regina (Thesis advisor)^RWTH* ; Liauw, Marcellus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08904
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1020331/files/1020331.pdf

Einrichtungen

Projekte

BMBF 03HY109B - Verbundvorhaben_H2Giga_QT1.5_AlFaKat: Neuartige Katalysatoren für AEM-WE Membran-Elektroden-Einheiten - Teilvorhaben: Qualifizierung von Materialien für die Fallbeschichtung (03HY109B) (03HY109B)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Grüner Wasserstoff stellt einen vielversprechenden Energieträger zur großskaligen Speicherung von erneuerbaren Energien dar und steht deshalb im Fokus der aktuellen Forschung. Die Verwendung von hochaktiven, edelmetallfreien Katalysatoren ist dabei wichtig, um einen Beitrag zur Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff zu leisten. Diese Arbeit widmet sich der Forschung und Optimierung von NiFe-basierten geschichteten Doppelhydroxiden als Elektrokatalysatoren in der Sauerstoffentwicklungsreaktion, die aufgrund ihrer Kosteneffizienz, hohen Verfügbarkeit und einer vielversprechenden katalytischen Leistung hohes Potenzial aufweisen. Zur Verbesserung der katalytischen Leistung wurden verschiedene Ansätze zur Optimierung des Materials gewählt und vielversprechende Systeme kinetisch untersucht. Zunächst wurden neben den Metallen Eisen und Nickel weitere 3d-Übergangsmetalle eingebaut. Die resultierende Aktivitätssteigerung wurde der erhöhten Leitfähigkeit aufgrund einer veränderten elektronischen Struktur der LDH-Schichten zugesprochen. Eine weitere Eigenschaft des Materials, die erlaubt, verschiedenste Anionen in die Zwischenschichten einzubauen, wurde genutzt, um die Leistung positiv zu beeinflussen. Anionen konnten die katalytische Aktivität erhöhen, indem sie Einfluss auf Zwischenschichtabstand und Ladungstransferwiderstand nahmen. Dazu wurden zunächst einfache Anionen für eine erste Untersuchung gewählt und eine tiefgehende kinetische Analyse mittels elektrochemischer steady-state-Verfahren durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wurden der Mechanismus der OER-Katalyse auf NiFe LDH, sowie die Adsorptionsbedingungen der Intermediate identifiziert und geschwindigkeitsbestimmende Schritte berechnet. Die Ergebnisse dieser kinetischen Grundlagen wurden in einer weiteren Anionenaustauschreihe auf Basis von anorganischen und organischen Boraten nochmals bestätigt. Während organische Borate aufgrund ihrer Aromatizität und der damit einhergehenden größeren Delokalisierung von negativer Ladung einen aktivitätssenkenden Einfluss auf die OER-Performance hatten, führte der Einbau von B(OH)4− aufgrund seiner starken Lewis-Basizität zu einer erhöhten Aktivität. Als weitere Anionenklasse wurden schwefelbasierte Anionen gewählt und erfolgreich in die Zwischenschicht eingebaut. Die Materialien fielen durch eine ausgeprägte Agglomeration unabhängig vom Elektrodenmaterial auf. Eine ausführliche Aktivitätsanalyse wurde durchgeführt und es wurden Abhängigkeiten der Aktivität von Zwischenschichtabstand, pKs-Wert der konjugierten Säure und Redoxreaktivität untersucht. Zuletzt wurde ein bisher für diese Anwendung neues Herstellungsverfahren der Co-Fällung in inverser Mikroemulsion getestet, das darauf abzielt, nanoskalige NiFe LDHs mit enger Partikelgrößenverteilung herzustellen. Dabei wurde festgestellt, dass kleinere Kristallite zu einer verbesserten OER-Aktivität führen. Kleine Kristallite führen potenziell zu mehr Korngrenzen und damit zu einer veränderten elektronischen Oberflächenstruktur, die vorteilhaft für die OER-Performance sein kann.

Green hydrogen represents a promising energy carrier for the large-scale storage of renewable energy and is therefore the focus of current research. The use of highly active, precious metal-free catalysts is an important contribution to increasing the competitiveness of green hydrogen. This research focuses on the study and optimization of NiFe-based layered double hydroxides as electrocatalysts in the oxygen evolution reaction, which show high potential due to their cost efficiency, high availability, and promising catalytic performance. To improve catalytic performance, various approaches were chosen to optimize the material, and promising systems were kinetically studied. Initially, alongside iron and nickel, other 3d-transition metals were incorporated. The resulting increase in activity was attributed to the enhanced conductivity due to a changed electronic structure of the LDH layers. Another property of the material, the ability to incorporate various anions into the interlayers, was utilized to positively influence performance. Anions were able to increase catalytic activity by affecting the interlayer distance and charge transfer resistance. Simple anions were first chosen for an initial investigation, and a detailed kinetic analysis was carried out using electrochemical steady-state techniques. Based on the results, the mechanism of OER catalysis on NiFe LDH was identified, as well as the adsorption conditions of the intermediates, and rate-determining steps were calculated. These kinetic findings were further confirmed in another series of anion exchanges based on inorganic and organic borates. While organic borates, due to their aromaticity and the accompanying greater delocalization of negative charge, had an activity-reducing effect on OER performance, the incorporation of B(OH)4−, due to its strong Lewis basicity, resulted in increased activity. As another class of anions, sulfur-based anions were chosen and successfully incorporated into the interlayer. The materials exhibited significant agglomeration regardless of the electrode material. A thorough activity analysis was performed, and dependencies of the activity on interlayer distance, pKs value of the conjugate acid, and redox reactivity were examined. Finally, a new manufacturing method for this application, co-precipitation in an inverse microemulsion, was tested, aimed at producing nanoscale NiFe LDHs with a narrow particle size distribution. It was found that smaller crystallites led to improved OER activity. Smaller crystallites potentially lead to more grain boundaries, and thus a modified electronic surface structure, which can be beneficial for OER performance.

OpenAccess:
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