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Synthese und Charakterisierung eindimensionaler metalloxidischer Nanostrukturen für elektrochemische Katalyse und Sensorik

Antoni, Markus (2021):
Synthese und Charakterisierung eindimensionaler metalloxidischer Nanostrukturen für elektrochemische Katalyse und Sensorik. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017418,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Synthese und Charakterisierung eindimensionaler metalloxidischer Nanostrukturen für elektrochemische Katalyse und Sensorik
Language: German
Abstract:

Metallische Nanostrukturen sind bekannt für ihre außerordentlichen katalytischen Eigenschaften und ziehen daher große Aufmerksamkeit in der zeitgenössischen Forschung auf sich. In der letzten Zeit stieg auch das Interesse an oxidischen Nanoobjekten aufgrund ihrer bemerkenswerten Eigenschaften nicht nur im Bereich der Katalyse. Da Oxide bereits in oxidierter Form vorliegen, sind sie im Vergleich zu Metallen weniger anfällig für Phänomene wie Korrosion. Bei den meisten Oxiden handelt es sich um Halbleiter oder Isolatoren. Besonders die halbleitenden Eigenschaften bieten die Möglichkeit die Materialien als Photokatalysatoren, Solarzellen und Gassensoren einzusetzen. Nanoobjekte stechen durch ihr besonders großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis heraus, was sie besonders für katalytische und sensorische Anwendungen geeignet erscheinen lässt. Der Vorteil von eindimensionalen Nanoobjekten besteht in der erhöhten Stabilität, der geringeren Neigung zur Agglomeration und dem damit einhergehenden geringeren Verlust an aktiver Oberfläche, weswegen diese Strukturen auch als Support-Struktur anderer aktiver Objekte eingesetzt werden können. Aus diesen Gründen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung von Möglichkeiten metalloxidische eindimensionale Nanoojekte nasschemisch herzustellen. Die Templatsynthese wird als geeignetes Werkzeug für die Herstellung betrachtet. Ein formgebendes poröses Templat wird mit dem Zielmaterial ausgefüllt oder ausgekleidet, um auf diese Weise Nanodrähte bzw. -röhren zu erlangen. Elektrodeposition und stromlose Abscheidung in ionenspurgeätzten Kunstofffolien bewähren sich als Herstellungsverfahren. An dieser Stelle kann zwischen direkten und indirekten Verfahren unterschieden werden. Indirekte Verfahren beinhalten mindestens zwei Prozessschritte, wie z.B. Abscheidung und Nachbehandlung. Die Nachbehandlung findet in Form von thermischer oder Plasmabehandlung statt. Direkte Verfahren führen direkt zu den gewünschten Strukturen. In diesem Bereich werden stromlose Abscheidung, sowie anodische und kathodische Elektrodeposition eingesetzt. Die direkten Methoden bieten den Vorteil, dass auf die belastenden Nachbehandlungen verzichtet werden kann. Diese Arbeit beleuchtet die Unterschiede, Vorteile und Nachteile der verschiedenen Methoden um oxidische Nanostrukturen herzustellen. Diese werden auf Basis von Cer, Kobalt, Mangan, Nickel, Titan, Zink und Zinn hergestellt. Zusätzlich hebt die vorliegende Arbeit den Nutzen der hergestellten Strukturen hervor, indem Beispiele für Anwendungsgebiete, die von Brennstoffzellenkatalyse über elektrochemische Sensorik bis hin zur Gassensorik reichen, ausgearbeitet werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Metallic nanostructures are well known for their extraordinary catalytic properties and, hence, attract a lot of attention in contemporary research. In the recent past, oxidic nanoobjects have become of interest due to their enhanced properties not only in catalysis. Since oxides are already oxidised, they are less prone to phenomena such as corrosion in comparison to metals. Oxides tend to be semiconductors or insulators. Especially the semiconducting properties offer an utilisation as photocatalyst, solar cells, and gas sensors. Nanoobjects stand out due to their enormous surface-to-volume ratio which qualifies them particularly for catalytic and sensor applications. The advantage of one-dimensional nanoobjects consists in their extended stability, less tendency of agglomeration and the associated loss of active surface area which is why they are suited for support of other active structures, too. Therefore, in this work a spectrum of possible syntheses for this class of materials is investigated. Template synthesis is a suitable tool for the manufacturing of one-dimensional nanoobjects. A forming template is filled or lined by the desired material in order to obtain either nanowires or nanotubes, respectively. Electrodeposition and electroless plating in ion-track etched polymer foils stand by as handy tools. For the synthesis of one-dimensional oxidic nanostructures, direct and indirect syntheses can be deployed. The term “indirect” refers to fabrication routes which require at least a two-step process for the manufacturing of oxidic nanoobjects. Here, an electrodeposition or electroless plating of a metal is conducted and followed by an oxidation treatment. The oxidation treatment can occur in terms of plasma or heat treatment. The term “direct” refers to a synthesis which immediately results in the desired oxide nanoobject. Electroless plating of oxide nanotubes, cathodic and anodic electrodeposition of oxide nanowires are exploited to result in the final structure without any delay. The direct methods bear the advantage of reducing the stress by heat or plasma treatment on the structures, which can influence the nanoobjects in a strong manner. This work illuminates the differences, advantages and drawbacks of the various methods for producing oxidic nanostructures based on Ce, Co, Mn, Ni, Sn, Ti, and Zn. Additionally, this thesis highlights the benefit of the synthesised structures by portraying examples of application fields, which reach from fuel cell catalysis via electrochemical sensing towards gas sensing.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 182 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
Date Deposited: 12 Feb 2021 14:29
Last Modified: 12 Feb 2021 14:29
DOI: 10.26083/tuprints-00017418
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-174185
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Kramm, Prof. Dr. Ulrike I.
Refereed: 10 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17418
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