Elektrokatalyse: von der Synthese zum Bauteil

Materialien

MXene

MXene sind eine relativ neue Familie von 2D-Materialien (1 bis 3 Schichten), die aus Übergangsmetallkarbiden und -nitriden bestehen und durch verschiedene Ätzprozesse aus MAX-Phasen hergestellt werden, Abbildung X. Eine MAX-Phase hat die allgemeine Formel Mn+1AXn, wobei M ein frühes Übergangsmetall, A ein Element aus Gruppe 13 und 14 des Periodensystems und X Kohlenstoff oder Stickstoff darstellt. Während des Ätzvorgangs, der in einer auf Fluoridionen basierenden Lösung durchgeführt wird, wird das Element der Gruppe 13/14 aus der MAX-Struktur entfernt, wodurch die Karbidschichten durch OH-, O-, Cl- oder F-Gruppen abgeschlossen werden, die anschließend als „Oberflächengruppen oder Kantenstellen“ bezeichnet werden.5 Die resultierende Struktur wird als „MXene“ bezeichnet. MXene gelten aufgrund ihrer Struktur als hochleitfähig und langlebig. Bisher ist jedoch nicht bekannt, dass MXene aktive Zentren für die OER enthalten, da keine MXene mit Metallen zur Förderung der OER (z. B. Mn oder Fe) erfolgreich synthetisiert wurden.  Andererseits sind Übergangsmetalloxide (TMOs) eine spannende Gruppe von Materialien, die verschiedene faszinierende physikalische Eigenschaften besitzen, die sich je nach Oxidationszustand des Materials ändern können, und die als aktive Katalysatoren für die Wasserspaltung bekannt sind. Durch die Kombination kostengünstiger, aktiver TMO-Katalysatoren mit MXenen schafft unsere Gruppe Katalysatorschichten mit den Eigenschaften eines gewünschten OER-Katalysators.

Synthese

MXene sind aufgrund ihrer großen Oberfläche und hervorragenden Hydrophilie ideale Substrate für OER-aktive Materialien, die die OER-Aktivität steigern, indem sie die Anzahl der freiliegenden aktiven Stellen erhöhen. Mit dem Ziel, Verbindungen mit erhöhter elektrokatalytischer Aktivität für Umwandlungsreaktionen herzustellen, funktionalisieren wir die Oberfläche von MXene mit Materialien auf Übergangsmetallbasis mithilfe nasschemischer Synthesetechniken. Diese Strategie ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Zusammensetzung, Morphologie und strukturellen Eigenschaften der resultierenden Materialien.

Unsere Methoden umfassen hydrothermale und solvothermale Techniken für das Wachstum wohldefinierter kristalliner Materialien unter kontrollierter Temperatur und kontrolliertem Druck, Fällungs- und Kopräzipitationsmethoden für einstellbare Stöchiometrie und homogene Partikelbildung, die Polyolmethode zur Herstellung gut dispergierter Nanopartikel mit kontrollierter Größe und Form sowie mikrowellenunterstützte Synthese zur Beschleunigung der Reaktionskinetik für eine verbesserte Materialgleichmäßigkeit. Darüber hinaus nutzen wir Elektroabscheidung für die kontrollierte Abscheidung von Materialien direkt auf leitfähigen Substraten und sorgen so für Gleichmäßigkeit und hohe Haftung.