Dissertation/Thesis Abstract

Grazing Incidence X-Ray Diffraction : Application on Catalyst Surfaces
by Scherzer, Michael, Ph.D., Technische Universitaet Berlin (Germany), 2018, 153; 27610070
Abstract (Summary)

Das Interesse an Untersuchungen von elektrochemisch aktiven Iridium-Oberflächen resultiert aus deren Einsatz in PEM-Elektrolyseuren (Proton Exchange Membrane). Diese Technik wird als nachhaltige Alternative zur Wasserstoffgewinnung industriell immer interessanter, um von fossilen Rohstoffen Abstand zunehmen. Die Verwendung des selten vorkommenden und extrem teuren Iridium-Metalls macht diesen Prozess sehr kostspielig und fordert die Erforschung von möglichen Alternativen. Diese könnten in dezidierten Iridiumoxid-Oberflächen gefunden werden, welche hohe katalytische Eigenschaften unter OER-Bedingungen aufweisen. Besonderes Augenmerk erhalten auch die Anwendung von dünnen Iridium-Schichten als Elektroden, welche einerseits ein Minimum an Iridium erfordern und andererseits ökonomischer einsetzbar sind. Die Anwendung von Dünnschicht-Beugungsmethoden hat im Zusammenhang mit ihrem integralen Charakter für solche Proben-Typen ein hohes Potenzial zur Charakterisierung, da herkömmliche Methoden entweder zu lokal oder zu unspezifisch sind. Diese Techniken können mikroskopische Änderungen mit makroskopisch messbaren Größen in Zusammenhang setzen (Angström- bis zu Mikrometer-Bereich). Solche gezielten Studien für iridiumbasierte Systeme unter OER-Bedingungen sind kaum dokumentiert, was zu dem Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit wird, einen solchen Ansatz zu verfolgen und eine systematische Studie durchzuführen.

Die Entwicklung eines entsprechenden und anwendbaren Dünn-schicht Modellsystems für OER-Studien wurde mit zwei unterschiedlichen Präparationstechniken erreicht. Diese beiden intrinsisch unterschiedlichen Schichten weisen vor und nach elektrochemischer Behandlung unterschiedliche Oberflächen-Morphologien auf, welche klar vom Ursprungszustand abhängen. Diese dimensionale Instabilität (Aufrauen und fraktale Änderungen) kann mit XRR und XRDS gezeigt und mit Elektronenmikroskopie, sowie XPS Ergebnissen unterstützend belegt werden. Umgekehrt kann auch der Einfluss von verschiedenen Behandlungen auf denselben Ursprungszustand gezeigt werden, welche ebenso zu deutlich unterscheidbaren resultierenden Schicht-Morphologien führt. Fraktale Parameter und Peak-Profil Analysen zeigen diese Änderungen im nm-Maßstab deutlich bis hin zur kompletten Amorphisierung. Eine gesonderte Studie an einer homogenen und dichtgepackten Iridium Schicht ermöglichen auch eine Studie des Ir 111 Reflexes in Abhängigkeit von der Eindringtiefe (veränderlicher Einfallswinkel), und zeigt bereits nach einem einzigen Zyklus in der Cyclovoltammetrie und nachfolgender Chronoamperometrie signifikante Änderungen am Ir 111 Reflex.

Parallel zu den ex-situ Untersuchungen wird auch die Möglichkeit zu in-situ Messungen durch die Konstruktion einer Zelle für Labor-Diffraktometer ermöglicht. Das Arbeitsprinzip der Zelle kann vorgestellt und ein Leitfaden zur Datenauswertung bereitgestellt werden. Als Test-Reaktion dient die Oxidation vom polykristallinem Kupfer in basischem Milieu. Während cyclovoltammetrischen Messungen konnten typische Kupfer Reaktionen beobachtet werden (Oxidation/Reduktion). Bei einem nachfolgendem 20 Stunden Experiment konnten im insitu Aufbau bei gleichzeitig aufgezeichneten Beugungs-Pattern in zeitlicher Abhängigkeit eine Cuprit (Cu2O) Zwischenstufe eindeutig nachgewiesen werden.

In einem zusätzlichem Ansatz wird versucht, Dünnschicht-Beugung auch auf andere Systeme auszuweiten, zum Beispiel auf gepresste Katalysator Pellets, welche oberflächlich reduziert wurden. Ebenso untersucht wurde auf eine Hochtemperatur-Legierung, die sich oxidativ entmischt, sowie die Kalibration eines selbst gebautem LPCVD-Reaktors, um die lineare Anhängigkeit von Schichtdicke und Abscheidezeit mittels XRR zu bestimmen.

Die vorliegende Arbeit kann einen ausführlichen Überblick über die Anwendung von Dünnschicht-Beugungstechniken geben und durch die Untersuchungen an Iridium-Oberflächen einen Einblick in seine Dynamik ermöglichen. Die zusätzlich erarbeitete Lösung für In-situ Messungen zeigt nochmals mehr die weitreichenden Möglichkeiten dieser Methoden und ihre Einsatzmöglichkeiten in den Oberflächencharakterisierungen.

Indexing (document details)
Advisor: Schlögl, Ullrich
Commitee:
School: Technische Universitaet Berlin (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/4(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Inorganic chemistry
Keywords: Catalyst surface, X ray, Diffraction
Publication Number: 27610070
ISBN: 9781392615126
Copyright © 2019 ProQuest LLC. All rights reserved. Terms and Conditions Privacy Policy Cookie Policy
ProQuest