Application of 2D Clay Materials for Sustainable Energy Storage

Titelangaben

Weiß, Sebastian:
Application of 2D Clay Materials for Sustainable Energy Storage.
2023 . - IX, 103 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Together with energy harvesting and distribution, energy storage technologies are essential to broadly establish renewable energy sources in a power grid. Chemical energy storage, e.g., through hydrogen, requires two conversion steps. Step one resembles the storage of electrical energy in chemical bonds (electrolyzer), and step two reverses this process (fuel cells). This work will introduce the technology of green hydrogen generation via water electrolysis and illustrate why efficient and sustainable catalyst systems based on non-toxic, abundant, and cost-effective materials are required. For this purpose, the investigations focus on 2D layered materials, which have proven to be a versatile material class to facilitate the oxidative half-reaction of electrochemical water splitting, which is the oxygen evolution reaction (OER). This work will focus on the structure-property relationship in such materials while also paying attention to the ecological aspects of the technology. The aim is to tailor catalytical systems, further improving their capabilities and scalability. In the scope of this work, the influence of composition, specifically iron-content, in layered double hydroxides is investigated concerning the triggering of grafting. That is the chemical bonding of interlayer anions to brucite-like layers. Due to the high importance of bimetallic iron-containing layered double hydroxides, it is crucial to understand which implication its incorporation bears for the structure and, ultimately, the catalytic performance. The systematic variation of Co/Fe composition within the layers showed that the presence of iron favors grafting, thereby inducing structural disorder in the form of random interstratification and planar defects. At the same time, having a minimum amount of Co in the structure is essential to ensure high catalytic activity. From the perspective of the structure-properties relationship, the question remains open as to what kind of effect the extent of grafting has. For this purpose, different brucite-type materials are compared. Three classes are chosen that feature inherently different interlayer constitutions, while the layers have similar compositions. These include metal hydroxides M(OH)2 without interlayer anions, layered double hydroxides with free interlayer anions, and hydroxynitrates with fully grafted interlayer anions. This work shows that an interlayer anion's chemical bonding can alter the metal centers' electronic structure. This is decisive for their oxidation potential, i.e., the potential at which the electrocatalytically active center forms. In the last part of this work, the previously gained knowledge is combined to achieve control of grafting within the same material. The all-iron electrocatalyst mössbauerite is known to exhibit extensive grafting of interlayer anions. By employing a corrosion engineering approach, it is possible to obtain its precursor green rust on a steel plate as a large area electrode and control the ratio of grafted to ungrafted interlayer anions by choice of the oxidation method. This control of grafting in the same material allows for the first systematic study on the influence of grafting in mössbauerite.

Abstract in weiterer Sprache

Zusammen mit der Energiegewinnung und -verteilung sind Energiespeichertechnologien unerlässlich, um erneuerbare Energiequellen in einem Stromnetz auf breiter Basis zu etablieren. Die chemische Energiespeicherung, z. B. durch Wasserstoff, erfordert zwei Umwandlungsschritte. Schritt eins ist die Speicherung elektrischer Energie in chemischen Bindungen (Elektrolyseur) und Schritt zwei ist die Umkehrung dieses Prozesses (Brennstoff Zellen). In dieser Arbeit wird die Technologie der grünen Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse vorgestellt und erläutert, warum effiziente und nachhaltige Katalysatorsysteme auf der Grundlage ungiftiger, üppig vorhandener und kostengünstiger Materialien erforderlich sind. Zu diesem Zweck konzentrieren sich die Untersuchungen auf 2D-Schichtmaterialien, die sich als vielseitige Materialklasse erwiesen haben, um die oxidative Halbreaktion der elektrochemischen Wasserspaltung, die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), zu erleichtern. Diese Arbeit wird sich auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehung in solchen Materialien konzentrieren, wobei auch ökologische Aspekte der Technologie berücksichtigt werden. Ziel ist es, die katalytischen Systeme weiter zu optimieren, um ihre Eigenschaften zu verbessern und die Möglichkeit der Skalierbarkeit zu erfüllen. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss der Zusammensetzung, speziell des Eisengehaltes in geschichteten Doppelhydroxiden, auf die Auslösung des Graftings untersucht. Das ist die chemische Bindung von Zwischenschichtanionen an Brucit-artige Schichten. Aufgrund der großen Bedeutung bimetallischer, eisenhaltiger Schichtdoppelhydroxide ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, welche Auswirkungen ihr Einbau auf die Struktur und letztlich auf die katalytische Leistung hat. Die systematische Variation der Co/Fe-Zusammensetzung innerhalb der Schichten zeigt, dass die Anwesenheit von Eisen das Grafting begünstigt und dadurch strukturelle Unordnung in Form von zufälliger Zwischenschichtung und planaren Defekten hervorruft. Gleichzeitig ist ein Mindestanteil an Co in der Struktur für eine hohe katalytische Aktivität unerlässlich. Offen bleibt die Frage, wie sich das Ausmaß des Graftings auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehung auswirkt. Zu diesem Zweck werden verschiedene Materialien des Brucit-Typs verglichen. Es werden drei Klassen ausgewählt, die von Natur aus unterschiedliche Zwischenschichtaufbauten aufweisen, während die Schichten ähnliche Zusammensetzungen haben. Dazu gehören Metallhydroxide M(OH)2 ohne Zwischenschichtanionen, geschichtete Doppelhydroxide mit freien Zwischenschichtanionen und Hydroxynitrate mit vollständig gegrafteten Zwischenschichtanionen. Diese Arbeit zeigt, dass die chemische Bindung eines Zwischenschichtanions die elektronische Struktur der Metallzentren verändern kann. Dies ist entscheidend für ihr Oxidationspotential, d.h. das Potential, bei dem sich das elektrokatalytisch aktive Zentrum bildet. Im letzten Teil dieser Arbeit werden die zuvor gewonnenen Erkenntnisse kombiniert, um die Steuerung des Graftings im Material der gleichen Klasse zu erforschen. Der vollständig auf Eisen basierende Elektrokatalysator Mössbauerit ist dafür bekannt, dass er ein umfangreiches Grafting von Zwischenschichtanionen aufweist. Mit Hilfe eines korrosionstechnischen Ansatzes ist es möglich, seine Vorstufe Green Rust auf einer Stahlplatte als großflächige Elektrode zu erhalten und das Verhältnis von gegrafteten zu freien Zwischenschichtanionen durch die Wahl der Oxidationsmethode zu steuern. Die Steuerung des Graftings in ein und demselben Material ermöglicht diese erste systematische Studie über den Einfluss von Grafting in Mössbauerit.