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Visualisierung des elektrochemischen Oxidationsverhaltens der Ru(0001)-Oberfläche

Krause, Philipp Paul Tim - Justus-Liebig-Universität Gießen (2015)


Neuartige Energiespeicher, die beispielsweise Anwendung in elektrischen Fortbewegungsmitteln in Energie-Rückgewinnungs-Anlagen, portabler Elektronik oder groß angelegten Energie-Back-Up-Systemen finden, werden dringend benötigt, um eine Energiewende von fossilen Brennstoffen oder Kernenergie hin zu erneuerbaren Energien durchführen zu können.

Hier sind vor allem Superkondensatoren mit ihrer Kombination aus hoher Leistungs- und Energiedichte - verglichen mit Batterien bzw. klassischen dielektrischen Kondensatoren - ein viel versprechender Ansatz. In diesem Zusammenhang wurde in den letzten Jahren hydratisiertes Rutheniumdioxid (RuO2 x H2O), mit seinen vielfältigen Redox-Zuständen und hohen elektrischen Leitfähigkeit, intensiv untersucht und gilt als Erfolg versprechendes Material für neuartige Superkondensatoren.

Neben der Verwendung in Superkondensatoren ist hydratisiertes Rutheniumdioxid je nach Wasseranteil auch ein hervorragender Niedrigtemperaturkatalysator für z.B. die CO-Oxidation oder die Oxidation von Aminen. Auch wurde z.B. von Rolison et al. ein Zusammenhang zwischen der Leistungsfähigkeit als Superkondensator und der katalytischen Aktivität erkannt, dieser konnte bisher jedoch noch nicht im Detail geklärt werden.

Um ein tieferes Verständnis der grundlegenden katalytischen und elektrochemischen Eigenschaften des RuO2xH2O zu erlangen, ist es nötig, die Reaktionsmechanismen bzw. Mechanismen der Ladungsspeicherung auf atomarer Ebene an einem Modellsystem zu studieren und die bisher studierten, meist pulverförmigen Proben in ihrer Komplexität auf ein Minimum zu kondensieren.

In der vorliegenden Arbeit wird ein solches Modellsystem mit Hilfe der elektrochemischen Oxidation eines Ru(0001)-Einkristalls bei konstanten Potentialen von 1,35 V-1,5 V, sowie anschließenden Heizzyklen präpariert und mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), oberflächensensitiver Röntgendiffraktion (SXRD), Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion (RHEED) sowie Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Aufgrund der komplexen elektrochemischen Oxidation von Ruthenium, die mit der Sauerstoffevolution und der Korrosion des Rutheniumsubstrats einhergeht, ist es nicht möglich eine makroskopisch homogene Schicht zu präparieren wie sie für ein ideales Modellsystem wünschenswert ist. Folgt der elektrochemischen Präparation jedoch ein Heizschritt auf ca. 150°C konnte gezeigt werden, dass auf atomarer Ebene geordnete homogene Bereiche bis hin zu stöchiometrischen RuO2(100)-Nanokristalliten entstehen. Weiter wurde das Temperaturverhalten der präparierten RuO2xH2O-Schichten analysiert und anhand dessen ein Mechanismus der initialen elektrochemischen Oxidation bis hin zur temperaturinduzierten Oxidbildung entwickelt.


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