Reversible sodiation of electrochemically deposited binder- and conducting additive-free Si-O-C composite layers. - In: Energy technology, ISSN 2194-4296, Bd. 10 (2022), 5, 2101164, S. 1-9
Binder- and conducting additive-free Si-O-C composite layers are deposited electrochemically under potentiostatic conditions from sulfolane-based organic electrolyte. Quartz crystal microbalance with damping monitoring is used for evaluation of the layer growth and its physical properties. The sodiation-desodiation performance of the material is afterward explored in Na-ion electrolyte. In terms of specific capacity, rate capability, and long-term electrochemical stability, the experiments confirm the advantages of applying the electrochemically formed Si-O-C structure as anode for Na-ion batteries. The material displays high (722 mAh g^-1) initial reversible capacity at j = 70 mA g^-1 and preserves stable long-term capacity of 540 mAh g^-1 for at least 400 galvanostatic cycles, measured at j = 150 mA g^-1. The observed high performance can be attributed to its improved mechanical stability and accelerated Na-ion transport in the porous anode structure. The origin of the material electroactivity is revealed based on X-Ray photoelectron spectroscopic analysis of pristine (as deposited), sodiated, and desodiated Si-O-C layers. The evaluation of the spectroscopic data indicates reversible activity of the material due to the complex contribution of carbon and silicon redox centers.
https://doi.org/10.1002/ente.202101164
Preparation and characterization of cuprous oxide for improved photoelectrochemical performance. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (VI, 106 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Die Photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung stellte eine nachhaltige und saubere Methode dar, um Wasserstoff zu erzeugen, ohne auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein. Der P-Typ Cu2O-Halbleiter ist ein vielversprechender Kandidat für die Verwendung als Photokathodenmaterial in Bezug auf Kosten, Verfügbarkeit, Lichtabsorption und Energiebandposition. Ein neuartiges und kostengünstiges Herstellungsverfahren für hochporöse Strukturen (55-80 Poren/mm2) von Cu2O-Photokathoden mit verbesserter PEC-Leistung unter ausschließlicher Verwendung der elektrochemischen Abscheidung wird vorgestellt. Dieses Verfahren beinhaltet drei Schritte, um ein stabiles und hochporöses Cu-Metallgerüst als Substrat für die Cu2O-Schichten herzustellen. Im ersten Schritt wurde ein Abscheideprozess unterstützt durch die dynamische Entwicklung von Wasserstoff-Blasen entwickelt, um poröse Cu-Strukturen mit feinen Porennetzwerken herzustellen. Die porösen Cu-Strukturen wurden durch Abscheidung homogener und kompakter Cu-Schichten auf den fein verästelten Porenwänden mechanisch verstärkt. Da die poröse Cu-Struktur nicht vollständig verstärkt war, wurde in einem dritten Schritt die teilweise verstärkte Struktur mit Hilfe von Ultraschall vom planaren Cu-Substrat abgelöst, um ein stabiles freistehendes poröses Netzwerk mit röhrenförmigen Durchgangsporen zu erhalten. Die Porengröße kann durch Veränderung der Abscheidezeit während des ersten Herstellungsschrittes leicht eingestellt werden. Cu2O-Schichten mit Dicken zwischen ˜0,5 und ˜3 [my]m wurden auf den freistehenden porösen Cu-Schichten durch Variation der Abscheidezeit elektrochemisch hergestellt. Die PEC-Wasserspaltung der Cu2O-Photokathoden wurde unter gepulser simulierter AM 1,5-Beleuchtung in einem wässrigen Elektrolyten aus 0,5 M Na2SO4 (pH 6) untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Proben mit kleineren Poren den höchsten Photostrom von -2,75 mA cm-2 bei 0 V vs. RHE aufwiesen, gefolgt von -2,25 mA cm-2 für die Proben mit großen Poren, während ein niedriger Dunkelstrom beibehalten wurde. Diese Photoströme sind 120 % bzw. 80 % höher als die PEC-Leistung einer Cu2O-Schicht auf planarem Cu-Substrat, die mit den gleichen Abscheideparametern hergestellt wurde. Die hohe Leistung wird auf die vergrößerte Oberfläche durch die poröse Struktur, die dünne und homogene Bedeckung der Cu2O-Schicht mit kleiner Korngröße und die höheren Lochkonzentrationen zurückgeführt, wie die Mott-Schottky-Analyse zeigte. Die weitere Auswertung der freistehenden porösen Cu2O-Proben zeigte, dass sie eine direkte optische Durchlässigkeit von 14 % für die feinporigen Proben bzw. 23 % für die grobporigen Proben besitzen ([Lambda] = 400-800 nm). Die Herstellung des transluzenten Metallgerüsts mit Hilfe des elektrochemischen Abscheidungsprozesses wurde bisher nicht berichtet, sodass neue Innovationen für verschiedene Anwendungen, insbesondere im Bereich der Energiematerialien, ermöglicht werden.
https://doi.org/10.22032/dbt.51881
Charakterisierung der elektrochemischen Abscheidung von Chrom aus Chrom(III)-Elektrolyten für dekorative Anwendungen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (XVI, 142 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Dekorative Chromschichten sind im Alltagsleben omnipräsent, da sie Bauteiloberflächen ein ansprechendes Aussehen verleihen und zugleich Schutz vor Korrosion und Abrieb bieten. Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung, welche bereits seit Jahrzehnten bekannt und gut verstanden sind, basieren auf sechswertigen Chromverbindungen. Eine zunehmend strengere Chemikaliengesetzgebung schränkt die Verwendung dieser Stoffe ein und macht eine langfristige Substitution bei industriellen Prozessen notwendig. Elektrolyte auf Basis von dreiwertigen Chromverbindungen haben sich dabei als Alternative erwiesen und drängen zunehmend auf den Markt. Chrom(III)-basierte Elektrolytsysteme sind jedoch bislang kein gleichwertiger Ersatz und zeigen unter anderem Schwächen in Bezug auf Abscheiderate und optisches Erscheinungsbild der Chromschichten. Diese Arbeit soll Beiträge zum Verständnis des Abscheideprozesses und der Schichtbildung aus Chrom(III)-Elektrolyten liefern, um darauf aufbauend Maßnahmen für die Optimierung ableiten zu können. So wurde der Abscheideprozess mittels in-situ Mikrogravimetrie, Messung des oberflächennahen pH-Wertes und Bestimmung des bei der Abscheidung entstehenden Wasserstoffes charakterisiert. Im Ergebnis wurde eine Theorie zum Abscheidemechanismus aufgestellt. Anhand von Farbmessungen, REM- und AFM-Aufnahmen konnte ein Zusammenhang zwischen Schichtmorphologie und Farbwerten der Schichten nachgewiesen werden, welcher anhand von Modellrechnungen bestätigt wurde. Chrom(III)- und Chrom(VI)-Elektrolyte zeigen markante Unterschiede im Schichtwachstum. Aufbauend darauf wurde die Nutzung von Pulsstrom mit niedriger Frequenz als Maßnahme zur Steuerung der Morphologie und damit des Farbtones der Chromschichten identifiziert und erfolgreich angewendet.
https://doi.org/10.22032/dbt.51591
Anodic dissolution of aluminum and anodic passivation in [EMIm]Cl-based ionic liquids :
Anodische Auflösung und Passivierung von Aluminium in ionischen Flüssigkeiten auf Basis von [EMIm]Cl. - In: WOMag, ISSN 2195-5891, Bd. 11 (2022), 1/2, S. 27-29
Aluminiumabscheidung und -auflösung in ionischen Flüssigkeiten auf Basis von [EMIm]Cl : Kinetik des Ladungstransfers und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. - In: WOMag, ISSN 2195-5891, Bd. 11 (2022), 3, S. 22-25
Influence of carboxylic acids on the performance of trivalent chromium electrolytes for the deposition of functional coatings. - In: Electrochimica acta, ISSN 1873-3859, Bd. 411 (2022), 140054
As a direct consequence of the restrictions on the use of hexavalent chromium compounds, the demand for a suitable replacement has arisen. In this work the electrodeposition of thick chromium layers (>1µm) from a trivalent electrolyte is investigated with the aim to identify an electrolyte composition for the deposition of hard functional coatings. These layers can be used to surface finish tribological components experiencing high wear rates or mechanical stress in applications such as coating printing cylinders, feed rollers or piston rods. The influence of different carboxylic acids (malonic acid, malic acid, glycolic acid) on the deposition has been studied. The effect of current density on the current efficiency was investigated using in-situ microgravimetry. For a technical application the electrolyte containing malonic acid was the most promising one and was further investigated regarding the properties of the deposits, such as surface morphology, crack formation, composition, thickness and hardness, aiming at properties as close as possible to those of hexavalent chromium. In comparison to hexavalent chromium, the layer of trivalent chromium showed the same properties in terms of crack formation, hardness and layer thickness (> 1 µm).
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140054
Disentangling faradaic, pseudocapacitive, and capacitive charge storage: a tutorial for the characterization of batteries, supercapacitors, and hybrid systems. - In: Electrochimica acta, ISSN 1873-3859, Bd. 412 (2022), 140072
Today's electrochemical energy storage technologies aim to combine high specific energy and power, as well as long cycle life, into one system to meet increasing demands in performance. These properties, however, are often characteristic of either batteries (high specific energy) or capacitors (high specific power and cyclability). To merge battery- and capacitor-like properties in a hybrid energy storage system, researchers must understand and control the co-existence of multiple charge storage mechanisms. Charge storage mechanisms can be classified as faradaic, capacitive, or pseudocapacitive, where their relative contributions determine the operating principles and electrochemical performance of the system. Hybrid electrochemical energy storage systems can be better understood and analyzed if the primary charge storage mechanism is identified correctly. This tutorial review first defines faradaic and capacitive charge storage mechanisms and then clarifies the definition of pseudocapacitance using a physically intuitive framework. Then, we discuss strategies that enable these charge storage mechanisms to be quantitatively disentangled using common electrochemical techniques. Finally, we outline representative hybrid energy storage systems that combine the electrochemical characteristics of batteries, capacitors and pseudocapacitors. Modern examples are analyzed while step-by-step guides are provided for all mentioned experimental methods in the Supplementary Information.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140072
Nanometer-thick hematite films as photoanodes for solar water splitting. - In: ACS applied nano materials, ISSN 2574-0970, Bd. 5 (2022), 2, S. 2897-2905
Photoelectrochemical (PEC) water splitting is one of the most promising sustainable methods for feasible solar hydrogen production. However, this method is still impractical due to the lack of suitable photoanode materials that are efficient, stable, and cost-effective. Here, we present a surprisingly simple fabrication method for efficient, stable, and cost-effective nanometer-thick hematite films utilizing a rapid, ambient annealing approach. In the oxygen evolution reaction, the fabricated hematite films exhibit a Faradaic efficiency of 99.8% already at 1 V versus the reversible hydrogen electrode (RHE), a real photocurrent density of 2.35 mA cm-2 at 1.23 V versus RHE, and a superior photo-oxidation stability recorded for over 1000 h. Considering the active surface area, the measured photocurrent density is higher than any value achieved so far by hematite and other single-material thin-film photoanodes. Hence, we show for the first time that undoped hematite thin films can compete with doped hematite and other semiconductor materials.
https://doi.org/10.1021/acsanm.2c00095
Localized surface states influence in the photoelectrocatalytic performance of Al doped a-SiC:H based photocathodes. - In: Materials science in semiconductor processing, ISSN 1873-4081, Bd. 143 (2022), 106474, insges. 10 S.
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.106474
Selective metallization of polymers: surface activation of polybutylene terephthalate (PBT) assisted by picosecond laser pulses. - In: Advanced engineering materials, ISSN 1527-2648, Bd. 24 (2022), 4, 2100933, S. 1-15
https://doi.org/10.1002/adem.202100933