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Transpassive Metal Dissolution vs. Oxygen Evolution Reaction: Implication for Alloy Stability and Electrocatalysis

Transpassive Metallauflösung vs. Sauerstoffentwicklung: Auswirkungen auf Legierungsstabilität und Elektrokatalyse

  • Multi-principal element alloys (MPEAs) are gaining interest in corrosion and electrocatalysis research due to their electrochemical stability across a broad pH range and the design flexibility they offer. Using the equimolar CrCoNi alloy, we observe significant metal dissolution in a corrosive electrolyte (0.1 M NaCl, pH 2) concurrently with the oxygen evolution reaction (OER) in the transpassive region despite the absence of hysteresis in polarization curves or other obvious corrosion indicators. We present a characterization scheme to delineate the contribution of OER and alloy dissolution, using scanning electrochemical microscopy (SECM) for OER-onset detection, and quantitative chemical analysis with inductively coupled-mass spectrometry (ICP-MS) and ultraviolet visible light (UV-Vis) spectroscopy to elucidate metal dissolution processes. In-situ electrochemical atomic force microscopy (EC-AFM) revealed that the transpassive metal dissolution on CrCoNi is dominated by intergranularMulti-principal element alloys (MPEAs) are gaining interest in corrosion and electrocatalysis research due to their electrochemical stability across a broad pH range and the design flexibility they offer. Using the equimolar CrCoNi alloy, we observe significant metal dissolution in a corrosive electrolyte (0.1 M NaCl, pH 2) concurrently with the oxygen evolution reaction (OER) in the transpassive region despite the absence of hysteresis in polarization curves or other obvious corrosion indicators. We present a characterization scheme to delineate the contribution of OER and alloy dissolution, using scanning electrochemical microscopy (SECM) for OER-onset detection, and quantitative chemical analysis with inductively coupled-mass spectrometry (ICP-MS) and ultraviolet visible light (UV-Vis) spectroscopy to elucidate metal dissolution processes. In-situ electrochemical atomic force microscopy (EC-AFM) revealed that the transpassive metal dissolution on CrCoNi is dominated by intergranular corrosion. These results have significant implications for the stability of MPEAs in corrosion systems, emphasizing the necessity of analytically determining metal ions released from MPEA electrodes into the electrolyte when evaluating Faradaic efficiencies of OER catalysts. The release of transition metal ions not only reduces the Faradaic efficiency of electrolyzers but may also cause poisoning and degradation of membranes in electrochemical reactors.zeige mehrzeige weniger
  • Multi-Hauptelement-Legierungen (MPEAs) gewinnen in der Korrosions- und Elektrokatalyseforschung aufgrund ihrer elektrochemischen Stabilität über einen breiten pH-Bereich und der Vielfalt der möglichen chemischen Zusammensetzungen zunehmend an Interesse. In unseren Untersuchungen mit der äquimolaren CrCoNi-Legierung in einem sauren Elektrolyten (0.1 M NaCl, pH 2) beobachteten wir eine signifikante Metallauflösung, die mit der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) im transpassiven Bereich einhergeht, obwohl in zyklischen Polarisationskurven keine Hysterese auftrat oder andere offensichtliche Korrosionsindikatoren vorlagen. In diesem Artikel wird ein Charakterisierungskonzept eingeführt, dass die Beiträge der OER und der Legierungsauflösung differenziert. Hierfür kommt die elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) zum Nachweis des Beginns der OER und die quantitative chemische Analyse mit induktiv gekoppelter Massenspektrometrie (ICP-MS) und UV/Vis-Spektrometrie zur Aufklärung derMulti-Hauptelement-Legierungen (MPEAs) gewinnen in der Korrosions- und Elektrokatalyseforschung aufgrund ihrer elektrochemischen Stabilität über einen breiten pH-Bereich und der Vielfalt der möglichen chemischen Zusammensetzungen zunehmend an Interesse. In unseren Untersuchungen mit der äquimolaren CrCoNi-Legierung in einem sauren Elektrolyten (0.1 M NaCl, pH 2) beobachteten wir eine signifikante Metallauflösung, die mit der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) im transpassiven Bereich einhergeht, obwohl in zyklischen Polarisationskurven keine Hysterese auftrat oder andere offensichtliche Korrosionsindikatoren vorlagen. In diesem Artikel wird ein Charakterisierungskonzept eingeführt, dass die Beiträge der OER und der Legierungsauflösung differenziert. Hierfür kommt die elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) zum Nachweis des Beginns der OER und die quantitative chemische Analyse mit induktiv gekoppelter Massenspektrometrie (ICP-MS) und UV/Vis-Spektrometrie zur Aufklärung der Metallauflösungsprozesse zum Einsatz. Die elektrochemische In situ-Atomkraftmikroskopie (EC-AFM) zeigte, dass die intergranulare Korrosion der dominierende Mechanismus der transpassive Metallauflösung von CrCoNi ist. Diese Ergebnisse besitzen erhebliche Auswirkungen für die Beurteilung der Stabilität von MPEAs in Korrosionssystemen und der Stromausbeute von OER-Katalysatoren auf der Basis von MPEAs. Die Daten unterstreichen die Notwendigkeit der analytischen Bestimmung von Metallionen, die von MPEA-Elektroden freigesetzt werden. Die Freisetzung von Übergangsmetallionen verringert nicht nur die Stromausbeute von Elektrolyseuren, sondern kann zu einer Schädigung von Membranen in elektrochemischen Reaktoren führen.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Annica Wetzel, Daniel Morell, Marcus von der Au, Gunther Wittstock, Ozlem Ozcan, Julia Witt
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Angewandte Chemie International Edition
Jahr der Erstveröffentlichung:2024
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.4 Prozessanalytik
6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.2 Material- und Oberflächentechnologien
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Wiley VHC-Verlag
Erste Seite:1
Letzte Seite:8
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Corrosion; Multi-prinicpal element alloys (MPEAs); Passivation; Transpassive dissolution
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Degradation von Werkstoffen
DOI:10.1002/anie.202317058
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-597045
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:20.03.2024
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:20.03.2024
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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