Shed Light on Cobalt Oxides for the Oxygen Evolution Reaction – An Operando Spectroelectrochemical Study

• Main Author: Wahl, Sebastian
• Other Authors: Pinna, Nicola
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin 2020
• Subjects: Kobalt; Sauerstoffentwicklungsreaktion; operando; DRUV; Spektroelektrochemie; Struktur-Eigenschaft-Beziehungen; Zink; Spinell; Wurtzit; gamma-Co(O)OH; cobalt; oxygen evolution reaction; spectroelectrochemistry; structure-property relationships; zinc; spinel; wurtzite; 546 Anorganische Chemie; VH 8081; VG 9007; VE 6307; ddc:546
• Online Access: http://edoc.hu-berlin.de/18452/21876; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:11-110-18452/21876-6; http://dx.doi.org/10.18452/21108

In dieser Dissertation wird der Einfluss unterschiedlicher Sauerstoff-Koordinationsgeometrien um ein zentrales Kobaltatom evaluiert. Genauer werden Oxide, die tetraedrisch und oktaedrisch koordiniertes Kobalt enthalten, synthetisiert und charakterisiert. Zudem wird ihre Aktivität in Hinblick auf die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) unter alkalischen Bedingungen untersucht. Die elektrochemischen Analysen zeigen dabei, dass Materialien, die Kobalt in tetraedrischer Sauerstoffkoordination enthalten, die besseren Katalysatorvorläufer für die OER sind. Weiterhin kann demonstriert werden, dass das Herauslösen von inaktiven Metallen aus einer Struktur die Aktivität erhöht. Darauf basierend wird das neue Material Zn0.35Co0.65O vorgeschlagen. Es kristallisiert in der Wurtzitstruktur und enthält nur tetraedrisch koordinierte Atome. In alkalischen Lösungen wandelt sich die Wurtzitstruktur über die Zwischenstufe Co(OH)2 zum gamma-Co(O)OH um, und nahezu alles Zink wird aus der Struktur herausgelöst. Dadurch wird ein Material mit einer großen elektrochemisch aktiven Oberfläche gewonnen, das unterkoordinierte CoO(6-x) Oktaeder als aktive Zentren für die OER enthält. Hierdurch wird eine herausragende katalytische Leistung erreicht. Um weitere Einblicke in die OER zu generieren, wird Diffuse Reflexions UV/Vis (DRUV) Spektroskopie verwendet. Es werden neuartige Durchflusszellendesigns vorgeschlagen, die es erlauben, DRUV Spektren während der Katalyse aufzunehmen, d.h. operando. Durch diesen spektroelektrochemischen Ansatz werden Veränderungen der Katalysatoren während der OER beobachtet. So kann die Phasenumwandlung von Zn0.35Co0.65O erfolgreich verfolgt werden. Ebenso kann gezeigt werden, dass CoAl2O4 und Co2SnO4 nur an ihrer Oberfläche katalytische Aktivität aufweisen. Durch den Vergleich mit ex situ Analysen werden eindeutige Struktur-Eigenschaftsbeziehungen vorgeschlagen und tiefere Einsichten in die katalytisch aktiven Strukturmotive erhalten. === In this PhD thesis, the influence of different coordination geometries of oxygen atoms around a central cobalt atom is evaluated. Specifically, oxides containing tetrahedral and octahedral coordinated cobalt are synthesized, characterized and their activity towards the OER under alkaline conditions is evaluated. The electrochemical analyses reveal, that materials containing cobalt in tetrahedral oxygen coordination are better precatalysts for the OER. Furthermore, it is demonstrated that leaching of inactive metals from a structure increases the activity as well. Based on the previous mentioned, the new material Zn0.35Co0.65O is proposed. It crystallizes in the wurtzite structure and contains solely tetrahedrally coordinated atoms. In alkaline solutions, it transforms from wurtzite structure via a hydroxide to gamma-Co(O)OH, and nearly all Zn is leached from the structure. By this, a material with a large electrochemically active surface area is generated, that contains under-coordinated CoO(6-x) octahedra as active centers for the OER. Thus, outstanding catalytic performance is achieved. To generate further insights into the OER, diffuse reflectance ultraviolet visible (DRUV) spectroscopy is facilitated. Novel flow-cell designs are proposed, that allow to record DRUV spectra of catalysts under working conditions, i.e. operando. By this spectroelectrochemical approach, changes the catalysts undergo during the OER are observed. The phase transitions of Zn0.35Co0.65O are successfully followed, and it can be further shown, that CoAl2O4 and Co2SnO4 are only active at their surface. By comparison to ex situ analyses, clear structure-activity correlations are proposed, and deeper insights in the catalytically active structural motifs are obtained.