Synthese von nanoskaligen cobalt- und eisenbasierten Spinellen mit definierter Morphologie, Größe und Zusammensetzung für die elektrokatalytische Sauerstoffoxidation

Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Einfluss von Morphologie und Größe anhand von solvothermal und über Thermolyse synthetisieren Co3O4‑Nanopartikeln auf die OER‑Aktivität untersucht. Dabei konnten erfolgreich sphärische Nanopartikel in einem Größenbereich von 8 bis 15 nm durch thermische Zersetzung von Co(acac)2 und anschließender Calcinierung hergestellt werden, die entweder in der Kochsalz‑ (CoO) oder in der Spinell‑Struktur (Co3O4) kristallisieren. Im Gegensatz zu den sphärischen CoO‑Nanopartikeln zeigen die sphärischen Co3O4‑Partikel einen Trend bzgl. der Partikelgröße in der OER, wobei das Überpotential mit der Partikelgröße abnimmt. Dieser Effekt wurde auf die Präsenz von Sauerstoff‑Defektstellen zurückgeführt. Co3O4 konnte darüber hinaus über einen solvothermalen Ansatz mit Variation von Lösungsmittel und Capping Agent in Form von hexagonalen Plättchen, Würfeln und Nanooktaedern hergestellt werden. Für die Hexagons und die Oktaeder verläuft die Synthese über hydroxidische Phasen, deren elektrokatalytischen Eigentschaften nicht weiter untersucht wurden. Für die Spinell‑Nanopartikel konnte in Abhängigkeit der Oberflächenterminierung die folgende Aktivitätsbeziehung festgestellt werden: (222) (Hexagons) > (220) (Würfel) ≥ (311) (sphärische Partikel) >> (111) (Oktaeder).

Zur genaueren Untersuchung der möglichen Präsenz von Sauerstoff‑Defekten wurden temperatur‑ und zeitabhängige Calcinierungsstudien zu 15 nm CoO‑Nanosphären durchgeführt. Dabei wurde ein starker Einfluss der Erhöhung der Temperatur oder der Calcinierungszeit unter Abnahme der OER‑Aktivität festgestellt. Sauerstoff‑Defektstellen konnten mittels XRD, IR und EELS nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde der Bildungsmechanismus von Co3O4 über Core‑Shell‑Nanopartikel aus CoO und Co3O4 mittels TEM‑Analytik nachgewiesen. Dennoch wären weitere Analysemethoden zur Identifizierung von Defektstellen hilfreich. Hierzu könnten vor allem röntgenspektroskopische Methoden verwendet werden.

Studien zur Umwandlung von Cobaltmonoxid während der Elektrokatalyse haben einen Übergang in den Spinell Co3O4 gezeigt. Dies konnte anhand von XRD, HRTEM, EELS und IR‑Spektroskopie gezeigt werden, ohne dass diese Umwandlung quantitativ stattfindet. Es wird vermutet, dass die Spinell‑Spezies über hydroxidische Zwischenstufen gebildet wird. Allerdings kann nicht ausgeschlossen werden, dass das Co3O4 über Oxidation während des Probentransportes an der Luft entstanden ist. Zur Vermeidung solcher unerwünschter Oxidationsprodukte sollte die Probe direkt nach der Elektrokatalyse unter Schutzgasatmosphäre gelagert werden.

Einflüsse der Metall‑Substitution auf die OER‑Aktivität in Cobaltiten konnten durch die Synthese von Spinellen der Form MxCo3-xO4 mit den Metallen Nickel und Mangan gezeigt werden. Die erfolgreiche Substitution wurde mittels XRD, EDX und Raman‑Spektroskopie nachgewiesen und ein positiver Effekt auf die OER durch die Substitution von Nickel mit einem minimalen Überpotential für die Verbindung NiCo2O4 gefunden. Da keine Spinell‑Phasen mit x > 1 im NixCo3‑xO4 bekannt sind, wurden keine Verbindungen dieser Art synthetisiert. Allerdings könnte ein Einbau kleiner Mengen Ni3+ möglich sein, sodass das Überpotential für nickelreichere Spinelle weiter verringert werden könnte. Eine Substitution mit Mangan dagegen zeigt keinen aktivierenden Effekt auf die elektrokatalytische Sauerstoff‑Oxidation. Ein Vergleich von Co3O4 mit einem ausschließlich bivalent vorliegendem Kation, wie Mg2+ oder Zn2+, könnte den Einfluss von Co2+ bzw. Co3+ auf die OER zeigen. Allerdings konnten Spinelle dieser Art bisher nur unter Bildung monoxidischer Nebenphasen über die Thermolyse synthetisiert werden. Möglicherweise wäre dazu ein alternative Syntheseansatz geeigneter.

Phasenreine Spinelle der Form CoxFe3-xO4 konnten für x ≤ 1.75 durch die Mischung von Co(acac)2 und Fe(acac)3 ein der thermischen Zersetzung in Oleylamin hergestellt werden. Für cobaltreichere Stöchiometrien kommt es zur Bildung einer kochsalzartigen Nebenphase. In der Elektrokatalyse konnte ein starker Einfluss von Cobalt auf das Überpotential gezeigt werden. Dabei verringern bereits kleine Anteile von Cobalt die Überspannung maßgeblich auf den charakteristischen Wert von Co3O4. Die OER‑Aktivität kann durch die Cobalt‑Substitution bis zu einem Maximum im biphasigen System für x = 2.25 erhöht werden. Mittels HRTEM‑Analytik wurde der Verlust der Form unter Bildung kleinerer Partikel für das CoFe2O4 unter Abbau von Cobalt gezeigt. Dabei ist die Phase der gebildeten Nanopartikel bisher unbekannt. Zusätzlich wurde der Einfluss möglicher Sauerstoff‑Defektstellen im CoFe2O4 durch thermische Nachbehandlung unter Schutzgas und an der Luft bei 200 und 300 °C untersucht. Mittels IR‑Analytik konnte die Präsenz von Defektstellen gezeigt werden, wobei unbekannt ist, ob diese durch den Einbau organischer Moleküle verursacht wird. Generell sollte der Einfluss von Capping Agents auf die Elektrokatalyse genauer untersucht werden. Hierzu könnte auch ein Vergleich von Stickstoff‑dotiertem mit unbehandeltem CoFe2O4 dienlich sein.

As part of this dissertation, the influence of morphology and size on the OER activity of Co3O4 nanoparticles was investigated by means of solvothermal synthesis and thermolysis. Through the thermal decomposition of Co(acac)2 with subsequent calcination, nanospheres in a size range from 8 to 15 nm were successfully synthesized either in the rock‑salt structure (CoO) or in the spinel structure (Co3O4). In contrast to the CoO nanospheres, the spherical Co3O4 particles show a trend in terms of particle size in the OER. The overpotential decreases with the particle size. This effect was attributed to the presence of oxygen defects. Co3O4 was synthesized using a solvothermal approach with a variation of solvent and capping agent in the shapes of hexagonal plates, cubes, and nanooctahedrons. Before calcination for the hexagons and octahedra hydroxidic phases were isolated for which the electrocatalytic properties have not been further investigated. For the spinel nanoparticles, the following activity relationship was found regarding the surface termination: (222) (hexagons) > (220) (cubes) ≥ (311) (spheres) >> (111) (octahedrons).

To investigate the possible presence of oxygen defects more closely, temperature and time-dependent calcination studies were carried out on 15 nm CoO nanospheres. A strong influence of the temperature or the calcination time with a decrease in OER activity was found. Oxygen defects were detected via XRD, IR and EELS. In addition, the mechanism of the formation of Co3O4 via core-shell nanoparticles from CoO and Co3O4 was demonstrated by means of TEM analysis. However, further analysis methods would be helpful to identify defects. X-ray spectroscopic methods in particular could be used for this purpose.

Studies of the conversion of cobalt monoxide during electrocatalysis showed a transition to the spinel Co3O4. This was demonstrated by means of XRD, HRTEM, EELS and IR spectroscopy without a full conversion. It is assumed that the spinel species is formed via hydroxidic intermediates. However, the generation of Co3O4 by oxidation during the transport of the sample in air cannot be excluded. In order to avoid such undesired oxidation products, the sample should be stored under inert atmosphere immediately after electrocatalysis.

Influences of the metal substitution on the OER activity in cobaltites were shown by the synthesis of MxCo3-xO4 with the metals nickel and manganese. Successful substitution was demonstrated by means of XRD, EDX and Raman spectroscopy. A positive effect on the OER was shown by the substitution of nickel with a minimal overpotential for the compound NiCo2O4. Since no spinel phases with x > 1 are known for NixCo3-xO4, no compounds of this type were synthesized. However, it might be possible to incorporate small amounts of Ni3+, so that the overpotential for nickel-rich spinels could be further reduced. A substitution with manganese, on the other hand, has no activating effect on the electrocatalytic oxygen oxidation. A comparison of Co3O4 with an exclusively divalent cation such as Mg2+ or Zn2+ could show the influence of Co2+ or Co3+ on the OER. Up to now it was not possible to synthesize spinel compounds of this type by thermolysis without the formation of monoxidic secondary phases. An alternative synthetic approach might be more suitable.

Phase pure spinel compounds of the form CoxFe3-xO4 were synthesized for x ≤ 1.75 by mixing Co(acac)2 and Fe(acac)3 in a thermal decomposition approach in oleylamine. For stoichiometries with a higher cobalt content, a rock‑salt-like secondary phase is formed. A strong influence of cobalt on the overpotential could be demonstrated in electrocatalysis. Even small amounts of cobalt reduce the overpotential significantly to the characteristic value of Co3O4. The OER activity can be increased by the cobalt substitution up to a maximum in the two-phase mixture for x = 2.25. Using HRTEM analysis, the loss of shape with the formation of smaller particles for the CoFe2O4 with degradation of cobalt was shown. The phase of the smaller nanoparticles is so far unknown. In addition, the influence of possible oxygen defects in CoFe2O4 through thermal annealing under inert atmosphere and in air at 200 and 300 ° C was investigated. The presence of defects could be detected by means of IR analysis, although it is not known whether this is caused by the incorporation of organic molecules. In general, the influence of capping agents on electrocatalysis should be investigated more closely. A comparison of nitrogen doped with untreated CoFe2O4 could also be useful for this.

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