Synthesis and Characterization of Tailored Gold-based Nanowire Networks for Energy Applications

This thesis presents the synthesis and characterization of three types of three-dimensional (3D) free-standing nanostructure assemblies, pure gold (Au), gold-silver (Au₁₋ₓAgₓ, 00.5) and pure Ag NWNWs are inactive. Hierarchical nanoporous NWNWs obtained by dealloying of Au₁₋ₓAgₓ (x>0.6) NWNWs retain residual Ag in the nanowires as well as Ag-rich surface shells. Notably, their electro-catalytic performance resembles that of Au₁₋ₓAgₓ NWNWs with comparable composition. Due to their significantly higher ECSAs, and reduced mass, these nanoporous Au NWNWs outperform pure Au NWNWs in terms of current density normalized by projection flat area. Surface wettability critically influences nanostructured catalysis by modulating the adsorption and desorption of reactants and products at the catalyst interface, thereby affecting catalytic activity and selectivity. We explore the wettability of the Au NWNWs as a function of porosity using sessile drop measurements. As porosity increases from 20% to 98%, the NWNWs transit from hydrophilic to hydrophobic. Structures with 60% to 80% porosity display super-hydrophilic behavior, while >90% porous networks exhibit the rose-petal effect, where water droplets are adhered to the surface. The 3D free-standing structure offers a stable reaction environment, excellent conductivity, and a high specific surface area. The atomic composition can be precisely tailored for specific catalytic reactions. By adjusting the wettability, they can be tailored in the future for reactions involving either liquid or gas-phase reactants. The developed 3D NWNWs exhibit a high degree of structural and compositional tunability, which enables precise control over their physical and chemical properties. This versatility makes them excellent model platforms for systematically investigating the complex interdependencies between structure and function in nanoporous systems. By adjusting various parameters, we can gain deeper insights into how specific structural features influence performance, transport phenomena, and other functional behaviors in nanomaterials.

In dieser Arbeit werden die Synthese und Charakterisierung dreier Typen von dreidimensionalen (3D), freistehenden Nanostruktur-Assemblies vorgestellt: reines Gold (Au), Gold-Silber-Legierungen (Au₁₋ₓAgₓ, 00,5) sowie reine Ag-NWNWs sind hingegen katalytisch inaktiv. Hierarchische nanoporöse NWNWs, die durch Entlegierung von Au₁₋ₓAgₓ (x>0,6) NWNWs erzeugt werden, enthalten Rest-Silber im Draht sowie silberreiche Oberflächenschichten. Auffällig ist, dass ihre elektro-katalytische Leistung der von Au₁₋ₓAgₓ-NWNWs mit vergleichbarer Zusammensetzung ähnelt. Aufgrund ihrer deutlich höheren ECSA und reduzierten Masse übertreffen diese nanoporösen Au-NWNWs jedoch reine Au-NWNWs in Bezug auf die flächen-normalisierte Stromdichte. Die Oberflächenbenetzbarkeit beeinflusst die nanostrukturierte Katalyse entscheidend, da sie die Adsorption und Desorption von Reaktanten und Produkten an der Katalysatoroberfläche steuert und somit die katalytische Aktivität und Selektivität bestimmt. Mittels Sessile-Drop-Messungen wurde die Benetzbarkeit der Au-NWNWs in Abhängigkeit von der Porosität untersucht. Mit steigender Porosität (20–98 %) ändert sich das Verhalten von hydrophil zu hydrophob. Strukturen mit 60–80 % Porosität zeigen superhydrophiles Verhalten, während hochporöse Netzwerke (>90 %) den „Rose-Petal-Effekt“ aufweisen, bei dem Wassertröpfchen an der Oberfläche haften bleiben. Die 3D-freistehende Struktur bietet eine stabile Reaktionsumgebung, hervorragende Leitfähigkeit und eine hohe spezifische Oberfläche. Die atomare Zusammensetzung kann gezielt auf bestimmte katalytische Reaktionen abgestimmt werden. Durch Anpassung der Benetzbarkeit können die Strukturen zukünftig für Reaktionen mit flüssigen oder gasförmigen Reaktanten maßgeschneidert werden. Die entwickelten 3D-NWNWs weisen insgesamt eine hohe strukturelle und kompositionelle Variabilität auf, die eine präzise Kontrolle ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften erlaubt. Diese Vielseitigkeit macht sie zu exzellenten Modellplattformen, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Struktur und Funktion in nanoporösen Systemen systematisch zu untersuchen. Durch Variation relevanter Parameter lassen sich tiefere Einblicke gewinnen, wie spezifische strukturelle Merkmale die Leistungsfähigkeit, Transportphänomene und weitere funktionale Eigenschaften von Nanomaterialien beeinflussen.