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Electrochemical activation of Ni-based electrodes for the alkaline oxygen evolution reaction = Elektrochemische Aktivierung von Ni-basierten Elektroden für die alkalische Sauerstoffentwicklungsreaktion
2025 & 2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-04-08
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-11036
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1024182/files/1024182.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
alkaline water electrolysis (frei) ; electrocatalysis (frei) ; electrode conditioning (frei) ; flow cell (frei) ; green hydrogen (frei) ; online analysis (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Übergang zu erneuerbaren Energiequellen erfordert effiziente und nachhaltige Energiespeichersysteme, wie z. B. durch alkalische Wasserelektrolyse (AWE) erzeugten grünen Wasserstoff. Um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden, sind die Reduzierung des Zellpotenzials und die Senkung der Herstellungskosten von entscheidender Bedeutung. Die träge Kinetik der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode bietet Potenzial für eine Optimierung durch ein effizientes Elektrokatalysatordesign. Hier ist die elektrochemische Konditionierung ein vielversprechendes Werkzeug, da sie leicht anwendbar und vielseitig ist. In der Vergangenheit wurde die elektrochemische Konditionierung bereits eingesetzt, um das Oxidwachstum auf Ni und Fe zu untersuchen und um einen kostengünstigen und hochaktiven Elektrokatalysator aus Stahl herzustellen. Das Zusammenspiel zwischen der Konditionierung und dem Ni:Fe-Verhältnis der Elektrode, das häufig als Aktivitätsdeskriptor für die Sauerstoffentwicklungsreaktion angegeben wird, ist jedoch noch nicht vollständig verstanden. Dies wirft die Frage auf, wie Aktivierung, Oberflächenveränderungen und elektrochemische Konditionierungsparameter für eine Modellelektrode mit einem Ni:Fe-Verhältnis im optimalen Bereich korreliert sind. Dabei soll der Einfluss von Fe aus dem Elektrolyten berücksichtigt werden. Um dies zu untersuchen, ist ein geeignetes Testsystem erforderlich. Zwar sind analytische elektrochemische Durchflusszellen (EFCs) mit Online-Downstream-Analyse (iEFCs) für die Untersuchung von Aktivität und Stabilität wertvoll, doch unterscheiden sie sich erheblich von industriellen Anlagen, was den Wissenstransfer erschwert. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Herausforderungen, indem sie eine iEFC mit parallelen $\mathrm{1~cm^{2}}$ -Elektroden entwickelt, um gleichzeitig die Aktivität und Stabilität von Elektrokatalysatoren unter industriell relevanteren Bedingungen zu untersuchen. Simulation und experimentelle Validierung haben gezeigt, dass die hier entworfene iEFC eine präzise Aktivitätsbestimmung (Koutecký-Levich Steigung von >0.95) über einen breiten Potenzialbereich und eine minimale Verdünnung der Reaktionsprodukte bei einem begrenzten Volumenstrom ermöglicht. Die Stabilitätsbestimmung wurde durch die Online-Überwachung der Elektrodenauflösung mit einer Spitzenverschmierung nachgewiesen, die mit Literaturwerten vergleichbar ist. Diese fortschrittliche iEFC wurde zur Untersuchung der elektrochemischen Konditionierung von Elektroden auf Ni-(Fe)-Basis verwendet, um die Leistung der Sauerstoffentwicklungsreaktion zu verbessern. Eine systematische Parametervariation ergab konsistente Aktivierungstrends bei allen getesteten Materialien, was universelle Aktivierungsrichtlinien verspricht und auf einen ähnlichen Aktivierungsmechanismus hindeutet. Es wird angenommen, dass diese Aktivierungstrends in erster Linie aus der Oberflächenoxidation und -vergrößerung resultieren, wobei die Fe-Auflösung aus Ni-Fe-basierten Elektroden bzw. der Fe-Einbau in Ni-basierte Elektroden linear mit der (Hydr)oxidbildung verbunden ist. Dieses bessere Verständnis der Konditionierungsparameter, der Aktivierung und der Oberflächenveränderungen bietet einen Rahmen für eine maßgeschneiderte Konditionierung eines beliebigen (Vor-)Katalysators, um dessen Leistung zu maximieren oder um eine bestimmte Oberflächenveränderung zu bewirken. Schließlich wurde die dauerhafte Wirksamkeit der Aktivierung während der Langzeitelektrolyse bei $\mathrm{100~mA~cm^{-2}}$ und die Relevanz für industriell relevantere Bedingungen nachgewiesen, d. h. $\mathrm{12~cm^{2}}$ Elektroden, Verwendung eines Separators, 30 Gew.-% KOH, 80 °C und höhere Belastungen. Dies macht die Technologie, einschließlich der in-situ (Re-) Aktivierung von Elektroden, für großtechnische Anwendungen praktikabler. Die elektrochemische Konditionierung hat so das Potential, das Zellpotenzial der alkalischen Wasserelektrolyse zu verringern und die Anodenherstellung zu optimieren. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung der Konditionierung für die Verbesserung der OER-Leistung und zeigt, wie die Wirksamkeit der Katalysatoren durch maßgeschneiderte Oxide verbessert werden kann.The transition to renewable energy sources requires efficient and sustainable energy storage systems, such as green hydrogen produced by alkaline water electrolysis (AWE). To meet the rising demands, reducing cell potential and lowering manufacturing costs are crucial. The sluggish kinetics of the oxygen evolution reaction at the anode offers optimization potential by efficient electrocatalyst design. Here, electrochemical conditioning is a promising tool as it is easily applicable and versatile. Previously, electrochemical conditioning has already been used to study the oxide growth on Ni and Fe and to find a low-cost and highly active electrocatalyst from steel. However, the interplay of the conditioning and the Ni:Fe-ratio of the electrode, which is often stated as oxygen evolution reaction activity descriptor, is not fully understood yet. This raises the question of how activation, surface changes, and electrochemical conditioning parameters are correlated for a model electrode with a Ni:Fe ratio in the optimum regime, considering the influence of Fe from the electrolyte. Investigating this requires a suitable testing system. While reported analytical electrochemical flow cells with online downstream analysis (iEFCs) are valuable for studying activity and stability, their designs differ significantly from industrial setups, complicating knowledge transfer.This work addresses these challenges by designing an iEFC with $\mathrm{1~cm^{2}}$ parallel electrodes to study the activity and stability of electrocatalysts simultaneously under industrially more relevant conditions. Simulation and experimental validation showed that the herein-designed iEFC enables a precise activity determination (Koutecký-Levich slope of >0.95) over a wide potential range and minimal dilution of reaction products with a restricted volume flow. The stability determination was proven by online monitoring of the electrode dissolution with peak smearing comparable to reported values. This advanced iEFC was used to study the electrochemical conditioning of Ni-(Fe)-based electrodes to enhance the oxygen evolution reaction performance. Systematic parameter variation revealed consistent activation trends across the tested materials, promising universal activation guidelines and suggesting a similar activation mechanism. These activation trends are suggested to result primarily from surface oxidation and enlargement, with Fe dissolution from Ni-Fe-based electrodes or rather Fe incorporation into Ni-based electrodes being linearly linked with the (hydr)oxide formation. This increased understanding of conditioning parameters, activation, and surface changes offers a framework for tailoring any (pre-)catalyst’s conditioning to maximize performance or induce a certain surface change. Finally, the enduring activation efficacy during long-term electrolysis at $\mathrm{100~mA~cm^{-2}}$ and relevance to industrially more relevant conditions was demonstrated, i.e. $\mathrm{12~cm^{2}}$ electrodes, application of a separator, 30 wt% KOH, 80 °C, and higher loads. This makes the technology, including in-situ (re)activation of electrodes, more viable for large-scale applications, helping to reduce cell potential and optimize the anode manufacturing.Overall, this work stresses the importance of conditioning in enhancing the OER performance and demonstrates how to improve the catalysts' effectiveness by tailoring oxides.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031375858
Interne Identnummern
RWTH-2025-11036
Datensatz-ID: 1024182
Beteiligte Länder
Germany
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