Hydrogen Evolution Electrocatalysts - From Pure Metals to Multicomponent Alloys

Die anhaltende Klimakrise unterstreicht die Notwendigkeit einer Energiewende, um Treibhausgasemissionen und damit verbundene Umweltschäden zu begrenzen. Erneuerbare Energien sollen daher idealerweise fossile Brennstoffe nachhaltig ersetzen, um Emissionen einzudämmen. Der ausschließliche Einsatz alternativer Energiequellen ist jedoch durch ihre natürliche Fluktuation begrenzt. In diesem Zusammenhang hat sich Wasserstoff als flexibler und nachhaltiger Energieträger mit hohem Potenzial in verschiedenen Sektoren, wie der Energieversorgung und für Anwendungen in Verkehr und Industrie etabliert. Ein zentraler Aspekt zum Thema grüner Wasserstoff ist die Entwicklung von effizienten Katalysatoren, um die Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse zu gewährleisten. Eine Strategie in der Entwicklung von wirtschaftlicheren Katalysatoren besteht darin, kostspielige Edelmetalle durch günstigere Alternativen zu ersetzen. Da Übergangsmetalle oft deutlich geringere Aktivitäten zeigen, werden Legierungen gezielt eingesetzt um die Aktivität durch Synergien zwischen den Elementen zu steigern. Ausgehend von Ni Elektroden wurden in dieser Arbeit verschiedene Elemente in Legierungen kombiniert. Die Komplexität der Zusammensetzung wurde schrittweise erhöht um schließlich eine Hochentropielegierung zu erhalten. Diese haben in der Katalyse aufgrund ihrer verbesserten Aktivität, Stabilität und Flexibilität erhebliches Interesse geweckt. Ein umfassendes Verständnis der grundlegenden Mechanismen fehlt jedoch oftmals. In dieser Arbeit wurden Katalysatoren mit zunehmender Komplexität im Kontext der alkalischen Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) untersucht. Zuerst wurden Ni Dünnschichten als Elektroden und deren in situ Oxidation untersucht. Der Einfluss der partiellen Oberflächenoxidation auf die elektrokatalytische Aktivität der Elektroden wurde nachgewiesen und bleibt ein konstanter Faktor für Übergangsmetallkatalysatoren. Im nächsten Schritt wurde Mo als erstes Legierungselement ausgewählt und verschiedene NiMo Zusammensetzungen hinsichtlich ihrer Aktivität und Stabilität untersucht. Zum ersten Mal wurde das Herauslösen von Mo auf mikrostruktureller Ebene bestätigt. Diese signifikante Veränderung in der Oberflächenzusammensetzung und -struktur beeinflusste merklich das katalytische Verhalten. Im Weiteren wurden FeCoNi, FeCoNiMo und FeCoNiMoCu untersucht. Es wurde eindeutig demonstriert, dass die zuvor isolierten Effekte, einschließlich Oberflächenoxidation, Löslichkeit der Legierungskomponenten und Oberflächenveränderungen, das Verhalten von FeCoNiMo(Cu) und die katalytische Aktivität beeinflussten. Zusätzlich wurden die Auswirkungen der gezielten Veränderung der Oberfläche und die Bereitstellung von aktiven Zentren untersucht. Diese Arbeit betont die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Blicks auf komplexe Materialien im Kontext der Katalyse. Die finale Aktivität einer Hochentropielegierung ist demnach von mehreren Faktoren, wie elektronischen Synergien, Struktur, Stabilität und Oberflächenbeschaffenheit, abhängig. Durch einen sorgfältig gestalteten experimentellen Aufbau und mit interdisziplinären Analysen wurden die verschiedenen strukturellen Einflüsse isoliert, um die Aufklärung der Wirkmechanismen in Hochentropielegierungen zu erleichtern.