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Femtosecond laser-induced nano structuring offers a novel approach to enhance the performance of porous transport layers (PTLs) in anion-exchange membrane water electrolysis. By applying ultrashort laser pulses to nickel felts, distinct surface morphologies were generated, including high-spatial-frequency laser-induced periodic surface structures (HSFL-LIPSS), irregular ablated surfaces, and hybrid structures. Surface area analysis revealed increases of up to 4-fold for LIPSS, 6-fold for hybrid structures (LIPSS+Ablation), and 9-fold for ablated surfaces compared to untreated fibers. Electrochemical testing showed reduced overpotentials for laser-treated samples, comparable to state-of-the-art electrodes despite the absence of catalyst layers. Overpotentials could be reduced by up to 6.5 % at 10 mA cm−2 and by up to 9.6 % at 100 mA cm−2 compared to the unprocessed felt. Notably, ablated structures, with the highest surface areas, exhibited microcavities that may entrap oxygen bubbles, limiting active site and reaction rates. The LIPSS structures demonstrated the lowest activation losses and highest current density (1.32 A cm⁻² at 2.0 V) due to their periodic morphology and enhanced electrolyte flow, representing a 17 % improvement at 2.0 V compared to the untreated felts. Moreover, Tafel slopes down to 66 mV dec−1 denote a performant kinetic while oxidation charge measurements revealed pronounced peaks for laser-treated samples, with ablated surfaces achieving the highest charge of 16.76 ± 1.64 C cm⁻². Chronopotentiometry revealed the LIPSS structures showing the highest resistance to degradation among the structured samples.
These findings suggest femtosecond laser nano structuring as a promising method to improve PTL performance. Further application of catalyst layers could amplify the electrochemical efficiency of these advanced materials.
The study introduces flexible and scalable manufacturing approach for electrodes utilizing boron-doped silicon as conductive support for iridium nanoparticles, addressing the challenges of cost and scarcity associated with noble catalysts for oxygen evolution reaction (OER). Colloidal Ir nanoparticles are synthesized via pulsed-laser ablation (≈4–7 nm) and decorated on B-doped Si (≈100 nm) through electrostatic adsorption. Titanium substrates are ultrasonically sprayed with Si:B – Ir and Ir nanoparticles with very low iridium loading of 12 wt.%. Crystalline Ir phases (Ir(111), Ir(200)) are observed and known to enhance the OER mechanism. Additionally, atom probe tomography confirms that the Si support particles contained 0.03-0.5 at.% of boron throughout the entire particle, while electrical permittivity and through-plane measurements reveal a positive impact of B-doped Si on the electrical conductivity of the nanocatalysts and of the ultralow-loaded catalyst coated Ti substrates (0.12 mgIr cm−2), respectively. Rotating disk electrode results show pronounced oxidation peaks for decorated Ir nanoparticles. The Si:B-Ir 4 nm catalyst exhibits the highest turnover frequency (2.62 s−1) and a competitive electrochemical surface area (25 m2 gIr−1) compared to Si:B-Ir 7 nm (0.96 s−1; 37.5 m2 gIr−1) and Ir black (0.24 s−1; 5 m2 gIr−1). The overall analysis of the parameters highlights a performant catalytic efficiency, through balancing activity and reaction kinetics effectively.
Um CO2-frei, mit erneuerbaren Technologien, Energie umzuwandeln, zu speichern und Wasserstoff zu produzieren, bedarf es einer Technologie, welche zu hoher Leistungsdichte, Flexibilität und Effizienz fähig ist. Die Polymerelektrolytmembran-(PEM) Wasser-Elektrolyse besitzt das Potential alle diese Attribute in sich zu vereinen, weswegen sie eine Schlüsseltechnologie bei dem Umstieg auf erneuerbare Energien darstellt. Die aktuellen hohen Beladungen der Elektroden mit Katalysatormaterial für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) wie Iridium und die bisher noch ungenügend erforschten Alterungsmechanismen dieser über eine längere Nutzdauer, sind bisher die größten Herausforderungen für die großflächige industrielle Nutzung dieser Systeme. Mit diesem Hintergrund stellt sich diese Arbeit der Herausforderung die untersuchten PEM-Anoden mit reduzierter Beladung, hinsichtlich ihrer Stabilität und Alterungsmechanismen zu charakterisieren und den ersten Schritt in Richtung eines Degradationsprotokolls zu machen, um solche Elektroden künftig zu untersuchen. In der vorgegangenen Arbeit, aus welcher die hier untersuchten Proben stammen, wurden Elektroden hergestellt, indem auf ein Titansubstrat eine Supportschicht mit unterstöchiometrischem Titanoxid eingesintert wurde, auf welchem wiederum das Iridium galvanisch gepulst abgeschieden wurde. Die Beladung mit Katalysatormaterial war hier geringer als der der Stand der Technik, doch die katalytische Aktivität wurde durch die optimierte Elektrodenarchitektur erhöht. In dieser Arbeit wurden die Elektroden einem elektrochemischen Degradationsprotokoll unterzogen, welches sich aus Cyclovoltametrie (CV) gefolgt von Chronopotentiometrie (CP) und Chronoamperometrie, mit wechselnden Potentialen, zusammensetzt. Der dabei verwendete Elektrolyt wurde ebenfalls durch Filtration und Titration auf Zerfallsprodukte der Elektroden hin untersucht. Nach erfolgter Degradation wurden die Elektroden auf topografische Änderungen, mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), Änderungen der Kristallinität, mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Änderungen der Elementenkonzentration durch Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) hin untersucht.

