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En route towards advanced catalyst materials for the electrocatalytic water splitting reaction

Innovative Katalysatormaterialien für die elektrokatalytische Wasserspaltung

  • The thesis on hand deals with the development of new types of catalysts based on pristine metals and ceramic materials and their application as catalysts for the electrocatalytic water splitting reaction. In order to breathe life into this technology, cost-efficient, stable and efficient catalysts are imploringly desired. In this manner, the preparation of Mn-, N-, S-, P-, and C-containing nickel materials has been investigated together with the theoretical and electrochemical elucidation of their activity towards the hydrogen (and oxygen) evolution reaction. The Sabatier principle has been used as the principal guideline towards successful tuning of catalytic sites. Furthermore, two pathways have been chosen to ameliorate the electrocatalytic performance, namely, the direct improvement of intrinsic properties through appropriate material selection and secondly the increase of surface area of the catalytic material with an increased amount of active sites. In this manner, bringing materials with optimized hydrogen adsorption freeThe thesis on hand deals with the development of new types of catalysts based on pristine metals and ceramic materials and their application as catalysts for the electrocatalytic water splitting reaction. In order to breathe life into this technology, cost-efficient, stable and efficient catalysts are imploringly desired. In this manner, the preparation of Mn-, N-, S-, P-, and C-containing nickel materials has been investigated together with the theoretical and electrochemical elucidation of their activity towards the hydrogen (and oxygen) evolution reaction. The Sabatier principle has been used as the principal guideline towards successful tuning of catalytic sites. Furthermore, two pathways have been chosen to ameliorate the electrocatalytic performance, namely, the direct improvement of intrinsic properties through appropriate material selection and secondly the increase of surface area of the catalytic material with an increased amount of active sites. In this manner, bringing materials with optimized hydrogen adsorption free energy onto high surface area support, catalytic performances approaching the golden standards of noble metals were feasible. Despite varying applied synthesis strategies (wet chemistry in organic solvents, ionothermal reaction, gas phase reaction), one goal has been systematically pursued: to understand the driving mechanism of the growth. Moreover, deeper understanding of inherent properties and kinetic parameters of the catalytic materials has been gained.show moreshow less
  • Wasserstoff ist einer der vielversprechendsten Energieträger aufgrund seiner hohen massenbezogenen Energiedichte. In diesem Zusammenhang erlaubt die elektrokatalytische Wasserspaltung die einfache und saubere Herstellung von Wasserstoff. Allerdings erfordert die Trennung der relativ starken Wasserstoff-Sauerstoff Bindungen beträchtliche Energie und teure Edelmetalle wie Platin oder Iridium zeigen die höchste katalytische Aktivität mit geringer Überspannung und hohen Stromdichten was zu einem guten Wirkungsgrad führt. Aus dieser Motivation heraus befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung neuer Katalysatoren, die auf Metalllegierungen und Keramiken basieren, sowie ihrer Anwendung für die elektrokatalytische Wasserspaltung. Besonderes Augenmerk wurde auf die Herstellung von kostengünstigen mangan-, stickstoff-, schwefel-, phosphor- und kohlenstoffhaltigen Nickelwerkstoffen gelegt und deren Aktivität experimentell und theoretisch erforscht. Nickel wurde aufgrund seines relativ günstigen Preises und hohen Vorkommens gewählt.Wasserstoff ist einer der vielversprechendsten Energieträger aufgrund seiner hohen massenbezogenen Energiedichte. In diesem Zusammenhang erlaubt die elektrokatalytische Wasserspaltung die einfache und saubere Herstellung von Wasserstoff. Allerdings erfordert die Trennung der relativ starken Wasserstoff-Sauerstoff Bindungen beträchtliche Energie und teure Edelmetalle wie Platin oder Iridium zeigen die höchste katalytische Aktivität mit geringer Überspannung und hohen Stromdichten was zu einem guten Wirkungsgrad führt. Aus dieser Motivation heraus befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung neuer Katalysatoren, die auf Metalllegierungen und Keramiken basieren, sowie ihrer Anwendung für die elektrokatalytische Wasserspaltung. Besonderes Augenmerk wurde auf die Herstellung von kostengünstigen mangan-, stickstoff-, schwefel-, phosphor- und kohlenstoffhaltigen Nickelwerkstoffen gelegt und deren Aktivität experimentell und theoretisch erforscht. Nickel wurde aufgrund seines relativ günstigen Preises und hohen Vorkommens gewählt. Das Prinzip von Sabatier – die Wechselwirkung zwischen Adsorbat und Substrat sollte weder zu stark noch zu schwach sein – wurde als Leitfaden für die Entwicklung effizienter Katalysatoren benutzt. Trotz unterschiedlich angewendeter Synthesestrategien (Synthese in organischen Lösungsmitteln, ionothermale Reaktion oder Gasphasenreaktion), wurde zusätzlich systematisch ein weiteres Ziel verfolgt: Die Wachstums- und Entstehungsmechanismen dieser Materialen zu ergründen. Darüber hinaus wurde ein tieferes Verständnis der inhärenten Eigenschaften und kinetischen Parameter der katalytischen Materialien gewonnen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marc Ledendecker
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93296
Subtitle (English):mechanistic insights into the formation of metal carbides, phosphides, sulfides and nitrides
Subtitle (German):mechanistische Einblicke in die Bildung von Metallcarbiden, -phosphiden, -sulfiden und –nitriden
Advisor:Markus Antonietti
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2016
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/06/17
Release Date:2016/07/28
Tag:HER; Katalysatoren; Keramik; Legierungen; Materialwissenschaft; OER; Wasserspaltung
HER; OER; ceramics; material science; metal alloys; water splitting reaction
Pagenumber:II, 148
RVK - Regensburg Classification:VE 5070 , VE 7047
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, 4.0 International