Sauerstoffevolutionselektrokatalyse eines einzelnen MOF‐basierten Kompositnanopartikels an der Spitze einer Nanoelektrode

Abstract

Die Bestimmung der intrinsischen elektrokatalyti-schenA ktivitätm ithilfe von Makroelektroden wird durch Ensemble-und Filmeffekte beeinträchtigt. Hier wird ein neuartiger "Partikel-am-Stiel"-Ansatz genutzt, um ein einzelnes Nanopartikel einer metallorganischen Gerüstverbindung (MOF;Z IF-67) auf der Oberflächee iner Nanoelektrode wachsen zu lassen. Dieses Nanopartikel wird pyrolysiert, um einen mit Stickstoff dotierten Kohlenstoff/Kobalt-Kompositnanopartikel zu erhalten, das eine sehr hohe katalytischeA ktivitätf ürd ie Sauerstoffevolutionsreaktion (OER) mit einer Stromdichte von bis zu 230 mA cm À2 bei 1.77 V(vs.RHE) und eine hohe Wechselzahl (TOF) von 29.7 s À1 bei 540 mV Überpotential aufweist. Die Analyse mittels positionsidentischer Transmissionselektronenmikroskopie (IL-TEM) bestätigt die selbstopfernde Natur des MOF,w obei die Analyse nache rfolgter Elektrokatalyse die Agglomeration von Co-Zentren im Co-N/C-Kompositpartikel während der OER belegt. Die elektrochemischeA nalyse einzelner nanoskaliger Objekte (single-entity electrochemistry) erlaubt es,d ie intrinsische elektrokatalytische Aktivitätz ue rmitteln und bietet Einblicke in strukturelle Veränderungen des Elektrokatalysators unter Reaktionsbedingungen, die industriellen Bedingungen entsprechen.

Electrocatalysis as the Nexus for Sustainable Renewable Energy: The Gordian Knot of Activity, Stability, and Selectivity

“…The possibility to fabricate nanosized electrodes with precise control of their diameters [28,29] and to perform electrochemical investigations either at such electrodes, or after their modification with individual nanoparticles, makes it possible to observe phenomena at the nanoscale free from interferents that compromise the reliability of the data from catalyst film modified macroelectrodes. [28,30,31] 2.2.3.1. Nanoparticle at a Nanoelectrode Tip A specifically unique feature of electrochemical measurements at nanoelectrodes is the extremely fast mass transport with the RDE equivalent of about 25000 rpm for approximately 5 mm particles, 10 6 rpm for 1 mm particles, and 10 8 rpm for 50 nm particles.…”

“…When pyrolyzed, MOFs decompose to form metallic or metal oxide nanoparticles partially embedded in a N-doped graphitic carbon matrix. [31] shows an example of a MOF particle grown at the tip of a carbon nanoelectrode. The MOF nanoparticle (Figure 2 b,c) was pyrolyzed in a custom-built setup (Figure 2 a) to form a Co-C (core-shell) nanoparticle embedded inside a CoN/C matrix.…”

“…f) Representative TEM image of a Co-C (core-shell) nanoparticle embedded inside a CoN/C matrix. Image taken from Ref [31]. with permission of the publisher, Wiley-VCH.Angewandte ChemieMinireviews15304 www.angewandte.org…”

Elektrokatalyse als Nexus für nachhaltige erneuerbare Energien – der gordische Knoten aus Aktivität, Stabilität und Selektivität

“…Die Mçglichkeit, Elektroden in Nanodimensionen mit präziser Kontrolle ihrer Durchmesser herzustellen [28,29] und elektrochemische Untersuchungen an solchen Elektroden oder nach ihrer Modifikation mit einzelnen Nanopartikeln durchzuführen, erlaubt es, Phänomene auf der Nanoskala frei von Interferenzen zu beobachten, welche die Zuverlässigkeit der Daten von mit Katalysatorfilmen modifizierten Makroelektroden beeinträchtigen. [28,30,31]…”

“…Bei der Pyrolyse zersetzen sich MOF unter Bildung von Metalloder Metalloxid-Nanopartikeln, die teilweise in eine N-dotierte graphitische Kohlenstoffmatrix eingebettet sind. [31] Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein MOF-Partikel, das an der Spitze einer Kohlenstoffnanoelektrode gewachsen ist. Das MOF-Nanopartikel (Abbildung 2 b,c) wurde in einem speziell angefertigten Aufbau (Abbildung 2 a) pyrolysiert, um ein Co-C-Kern-Schale-Nanopartikel zu bilden, das in eine CoN/C-Matrix eingebettet ist.…”