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"What about stability?"

Aktuelle Ergebnisse zu "The stability number as a metric for electrocatalyst stability benchmarking", veröffentlicht in Nature Catalysis vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg und dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE) im Juni 2018.

“What about stability?” - "Was sagt man in Bezug auf die Stabilität?" - Eine Frage, die sich zunehmend auf Konferenzen oder im Peer Review von wissenschaftlichen Arbeiten auf dem Gebiet der Elektrokatalyse stellt. Die kinetische Behinderung vieler wichtiger Reaktionen ist natürlich nach wie vor eines der größten Hindernisse für eine effiziente Umwandlung von Energie aus erneuerbaren Quellen. Diese Tatsache hat in den letzten Jahren zu einem verstärkten Interesse an diesem Thema geführt, was zu einer Fülle von Veröffentlichungen über innovative Katalysatormaterialien für Elektronenübertragungsreaktionen geführt hat. Im Idealfall sollte der Katalysator bei diesen Prozessen nicht verbraucht werden; die Realität zeigt jedoch, dass harte Reaktionsbedingungen oder Nebenreaktionen im katalytischen Mechanismus zu einer starken Degradation führen können.

S-ZahlDie S-Zahl erleichtert das Verständnis und die Bewertung der Stabilität des Elektrokatalysators, was anhand verschiedener iridiumbasierter Oxide für die Sauerstoffevolutionsreaktion nachgewiesen wird.
Copyright: Simon Geiger / MPIE

Die Gemeinschaft ist sich dieser Probleme bewusst, verfügt jedoch oft nicht über die richtigen Mittel für eine wirksame Stabilitätsbewertung und ein Benchmarking. Zusätzlich zu den offensichtlichen Materialeigenschaften beeinflussen mehrere Parameter wie Katalysatorbelastung, Dauer der Messung, angelegtes Potential/Strom, Katalysatorgröße und -porosität oder Trägermaterialwechselwirkung die Stabilität erheblich. Darüber hinaus kann der Abbau über verschiedene Mechanismen erfolgen, die sich auf die Katalysatorstruktur, die Zusammensetzung und die elektronischen Eigenschaften auswirken, was das Bild erheblich erschwert. Daher ist unsere Frage - "Was ist mit der Stabilität" - schwer präzise zu beantworten. Da Stabilität ein "Langzeitmerkmal" ist, behindert ihre gründliche Bewertung schnelle Durchbrüche in der Katalysatorentwicklung.

Um dieses Problem insbesondere für den Abbau durch Auflösung von Elementen zu überwinden, schlagen wir am Beispiel der Sauerstoffevolutionsreaktion (OER) vor, den Fluss der erzeugten Moleküle durch den Fluss der gelösten Katalysatoratome zu normalisieren. Wir bezeichnen diese Kennzahl als Stabilitätszahl (S-Nummer). Die S-Zahl beschreibt im Prinzip, wie viele Moleküle entwickelt werden, bevor sich ein Katalysatoratom in den Elektrolyten auflöst. Auf diese Weise ähnelt sie der etablierten Umschlagszahl, mit dem großen Vorteil, dass die Anzahl der aktiven Standorte nicht bekannt sein muss. Darüber hinaus kann es sehr schnell und zeitaufgelöst bewertet werden, so dass in Kombination mit Hochdurchsatzleistungen ein schnelles Screening von Materialbibliotheken möglich wird. Für unsere Arbeit haben wir einige der bekanntesten und am häufigsten diskutierten Modifikationen von Iridiumoxid verwendet, um die S-Nummer als nützliches Benchmarking-Tool für OER-Katalysatoren zu demonstrieren und sogar grundlegende Unterschiede in den Materialklassen zu identifizieren. Auf der gleichen Linie werden auch andere elektrokatalytische Reaktionen, die unter Auflösung leiden, von dieser Metrik stark profitieren (z.B. Chlorentwicklung).

Insgesamt erleichtert unsere Forschung die Kommunikation zwischen den Forschergruppen hinsichtlich ihrer Leistungen bei der Katalysatorstabilität, die für die Entwicklung effizienter elektrochemischer Energieumwandlungsvorrichtungen besonders wichtig ist. Die S-Nummer ist eine leicht zugängliche Metrik für das Benchmarking und liefert wichtige quantitative Daten für Erkenntnisse über den Auflösungsmechanismus, beides wichtige Faktoren für das zukünftige Katalysator-Design.

Publikation

S. Geiger, O. Kasian, M. Ledendecker, E. Pizzutilo, A. M. Mingers, W. T. Fu, O. Diaz-Morales, Z. Li, T. Oellers, L. Fruchter, A. Ludwig, K. J. J. Mayrhofer, M. T. M. Koper and S. Cherevko: The stability number as a metric for electrocatalyst stability benchmarking DOI: 10.1038/s41929-018-0085-6

Behind the paper

chemistrycommunity.nature.com/channels/1465-behind-the-paper/posts/34038-what-about-stability

ontact persons

Kontaktpersonen

Prof. Dr. Karl Mayrhofer
Forschungszentrum Jülich GmbH
Direktor Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN)
Tel.: 09131 85-20843
E-Mail: k.mayrhofer@fz-juelich.de

Dr. Simon Geiger
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Technische Thermodynamik
Tel.: 09711 6862-8830
E-Mail: simon.geiger@dlr.de

Dr. Serhiy Cherevko
Forschungszentrum Jülich GmbH
Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN)
Leiter des Teams Elektrochemische Energieumwandlung
Tel.: 09131 85-27442
E-Mail: s.cherevko@fz-juelich.de

Dr. Susanne Spörler
Forschungszentrum Jülich GmbH
Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN)
Tel.: 09131 85-20249
E-Mail: s.spoerler@fz-juelich.de

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