Published June 26, 2023 | Version v1
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Selected transition metal borides and silicides for the oxygen evolution reaction

Description

In this work, iron and nickel borides and silicides were investigated as catalysts for the oxygen evolution reaction. The compounds investigated include the phase-pure borides FeB, Fe2B, Ni2B and Ni3B as well as the silicides Ni2Si, Ni31Si12, FeSi, Fe5Si3 and Fe3Si. In addition, solid solution series could be produced for some systems. Thus, the solid solutions (Ni1xFex)2B and (Co1xFex)2B in the range 0 ≥ x ≥ 1, and (Ni1xFex)31Si12 and (Fe1xMx)3Si (M=Co, Mn, Ni) in the range 0 ≥ x ≥ 0.5 could be prepared. A direct comparison of the silicides with the borides showed that the majority of the silicides exhibited a significantly higher overvoltage and were thus catalytically less active than the borides. Nevertheless, individual silicides also showed very promising results. It could be shown for the first time on silicides that the overvoltage could be lowered by substitution of the metal and the OER activity could thus be increased. In the case of both silicides and borides, samples containing nickel in particular stand out due to their high catalytic activity. In addition to powdered samples, (Ni1xFex)2B compacts (0 ≥ x ≥ 0.5; x = 1) were measured and characterised by XPS before and after the electrochemical investigation. In summary, this work confirmed that both selected silicides and borides are promising candidates for use as OER catalysts and can be significantly optimised, particularly by substitution with transition metals.

Abstract (German)

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Eisen- beziehungsweise Nickelboride sowie -silicide als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion untersucht. Zu den untersuchten Verbindungen gehören die phasenreinen Boride FeB, Fe2B, Ni2B und Ni3B als auch die Silicide Ni2Si, Ni31Si12, FeSi, Fe5Si3 und Fe3Si. Darüber hinaus ließen sich Mischkristallreihen für einige Systeme herstellen. So konnten die festen Lösungen (Ni1xFex)2B und (Co1xFex)2B im Bereich 0 ≥ x ≥ 1, sowie (Ni1xFex)31Si12 und (Fe1xMx)3Si (M=Co, Mn, Ni) im Bereich 0 ≥ x ≥ 0,5 hergestellt werden. Im direkten Vergleich der Silicide mit den Boriden zeigte sich, dass die Mehrzahl der Silicide eine deutlich höhere Überspannung aufwies und damit katalytisch weniger aktiv war als die Boride. Dennoch zeigten einzelne Silicide ebenfalls sehr vielversprechende Ergebnisse. Es konnte erstmals an Siliciden gezeigt werden, dass die Überspannung durch Substitution des Metalls gesenkt werden und die OER-Aktivität somit gesteigert werden konnte. Sowohl bei den Siliciden als auch Boriden fallen vor allem nickelhaltige Proben durch eine hohe katalytische Aktivität auf. Neben pulverförmigen Proben wurden zusätzlich (Ni1xFex)2B-Presslinge (0 ≥ x ≥ 0,5; x = 1) vermessen und mittels XPS vor nach der elektrochemischen Untersuchung charakterisiert. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit bestätigt werden, dass sowohl ausgewählte Silicide wie auch Boride vielversprechende Kandidaten für den Einsatz als OER-Katalysatoren darstellen und insbesondere mittels Substitution durch Übergangsmetalle deutlich optimiert werden können.

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Original title (German)
Ausgewählte Übergangsmetallboride und -silicide für die Sauerstoffentwicklungsreaktion

Identifiers

Publishing Information

Imprint Pagination
206 p.
Report number
INIS-DE--4152
University
TU Darmstadt
Degree
Dr. rer. nat.