Nano­analyse Elektro­chemischer Prozesse

Über

Um Elektrolyseure und Brennstoffzellen weiterzuentwickeln ist ein detailliertes Verständnis der Mechanismen notwendig, welche Nanostrukturen während elektrochemischer Prozesse verändern. Dieses Wissen kann angewendet werden, um die Effizienz, Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit dieser Geräte zu verbessern und ihren Durchsatz zu erhöhen. Dies wiederrum ermöglicht es, Wasserstofftechnologie effektiv zur Speicherung erneuerbarer Energien einzusetzen.

Zu diesem Zweck vereinen wir dimensionsübergreifende, korrelative Verfahren, mit deren Hilfe wir Vollzellanalysen, in-situ Degradationsstudien, Modellierung, sowie operando-Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie vereinen.

Forschungsthemen

Um die Prozesse in Zusammenhang mit Wachstum und Veränderung von Nanostrukturen zu verstehen, bedienen wir uns verschiedener Methoden:

  • Synthese neuer katalytischer Materialien
  • Entwicklung von Protokollen für beschleunigte Belastungstest
  • Charakterisierung von Halb- und Vollzelltests
  • Nanostrukturanalyse mittels operando Elektronenmikroskopie
  • Simulationen kinetischer elektrochemischer Prozesse
  • Elektronenstrahlinduzierte Effekte in Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie
  • Quantitative Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie

Kontakt

Dr.-Ing. Andreas Hutzler

IEK-11

Gebäude HIERN-Cauerstr / Raum 4009

+49 9131-12538174

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TEM Labor

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H2Giga - StacIE: Stack Scale-Up: Industrialization PEM Electrolysis

StacIE aims to scale up the stack production on the level of cell components by development of industrial processes, improvement of profitability of cell design by reducing complexity and optimizing manufacturing technique of the porous transport layer (PTL) and bipolar plate (BPP). For PTL and BPP alternative materials and substrate coating methods are identified and developed further. Additionally, an increase in performance and lifetime is aimed for. Fabrication techniques for a direct coating of the catalyst layer onto the porous transport layer is developed and investigated, overcoming the challenge to optimize the structure of the PTL to the catalyst layer. Also, accelerated stress tests are developed and the degradation mechanisms unraveled. Thorough structural elucidation completes the picture.

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Elektronische Bauelemente auf Basis des 2D-Materials schwarzer Phosphor - lagenanzahlabhängige Eigenschaften

Zweidimensionale Schichtmaterialien zeigen aufgrund ihrer außerordentlichen Eigenschaften enormes Potential hinsichtlich des Einsatzes in elektronischen Bauelementen. Die Verwendung dieser Materialien ist jedoch noch immer mit erheblichen Herausforderungen verbunden, insbesondere da diese Schichtmaterialien lagenanzahlabhängige Eigenschaften aufweisen, welche die potentiellen Bauelementefunktionalitäten maßgeblich bestimmen. Systematische Studien zu Herstellungsprozessen von Bauelemente, einschließlich deren Optimierung, sowie deren resultierender elektrischer Funktionalitäten unter Berücksichtigung der Lagenanzahlund möglicher Anisotropien fehlen bis jetzt weitgehend. Derartige umfassende Untersuchungen sind intrinsisch komplex und herausfordernd, weil dabei zerstörungsfreie Methoden zur Bestimmung der Lagenanzahl von im Bauelement integrierten 2D Materialien und Messungen der lagenanzahlabhängigen elektrischenEigenschaften kombiniert und aufeinander abgestimmt werden müssen. Im hier beantragten Projekt werden analytische Reflektanzspektroskopie und elektrische Transportmessungen an auf dem 2D-Material schwarzer Phosphor basierenden Bauelementen methodisch zusammengeführt, um dadurch den Einfluss der Einzellagenanzahl auf die Bauelementeigenschaften eindeutig zu bestimmen. Dabei werden Bauelemente unterschiedlicher Architekturen in Hinblick auf deren lagenabhängigen Eigenschaften und der Anisotropie des schwarzen Phosphors untersucht. Diese Eigenschaften beinhalten sowohl rein elektronische als auchvalleytronische Aspekte. Die Anzahl der Einzellagen wird hierbei mit einem speziellen optischen Verfahren, welches die spektralen Reflektanzeigenschaften des Materials ausnutzt, ermittelt. Zur Variation der Bauelementearchitekturen kommen laterale undvertikale Kontaktierung, verschiedene Gate-Dielektrika, Tunnelkontakte und unterschiedliche Oberflächenpassivierungen zum Einsatz. Als grundlegende und zur elektrischen Evaluation genutzte Funktionsprinzipien werden derFeld-Effekt, der Hall-Effekt und der Valley-Hall-Effekt ausgenutzt. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaften von 2D-Materialien hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit in der modernen und zukunftsorientierten Elektronik zu schaffen.

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Members

Publikationen mit Beiträgen von unserem Team

2024

  • T.-C. Ma, A. Hutzler, B. Bensmann, R. Hanke-Rauschenbach, S. Thiele, Influence of the Complex Interface between Transport and Catalyst Layer on Water Electrolysis Performance, Journal of the Electrochemical Society, 2024, DOI: 10.1149/1945-7111/ad3497
  • S. Mavrikis, M. Nieuwoudt, M. Göltz, S. Ehles, A. Körner, A. Hutzler, E. Fossy, A. Zervas, O. Brai, M. Wegener, F. Doerrfuss, P. Bouwman, S. Rosiwal, L. Wang, C. Ponce de León, Continuous production of ethylene and hydrogen peroxide from paired electrochemical carbon dioxide reduction and water oxidation, Advanced Energy Materials, 2024, Art. No. 2304247, DOI: 10.1002/aenm.202304247
  • N. E. Traoré, T. Schikarski, A. Körner, P. Cardenas Lopez, L. Hartmann, B. Fritsch, J. Walter, A. Hutzler, L. Pflug, W. Peukert, Mechanistic insights into silver-gold nanoalloy formation by two-dimensional population balance modeling, Chemical Engineering Journal, 2024, DOI: 10.1016/j.cej.2024.149429
  • D. Strauch, P. Weiner, B. B. Sarma, A. Körner, P. Wolf, A. Zimina, A. Hutzler, D. Doronkin, J.-D. Grunwaldt, P. Wasserscheid, M. Wolf, Bimetallic platinum rhenium catalyst for efficient low temperature dehydrogenation of perhydro benzyltoluene, Catalysis Science & Technology, 2024, DOI: 10.1039/D3CY01336G
  • N. Röttcher, G. D. Akkoc, S. Finger, B. Fritsch, J. Möller, K. J. J. Mayrhofer, D. Dworschak, Accelerating materials research with a comprehensive data management tool: a case study on an electrochemical laboratory, Journal of Materials Chemistry A, 2024, Advance Article, DOI: 10.1039/D3TA06247C
  • A. Kormányos, P. Büttner, M. Bosch, M. Minichová, A. Körner, K. J. Jenewein, A. Hutzler, K. J. J. Mayrhofer, J. Bachmann, S. Cherevko, Stability of Bimetallic PtxRuy - from Model Surfaces to Nanoparticulate Electrocatalysts, ACS Materials Au, 2024, DOI: 10.1021/acsmaterialsau.3c00092

2023

  • B. Fritsch, P. Malgaretti, J. Harting, K. J. J. Mayrhofer, A. Hutzler, Sparsening Radiation Chemistry Reaction Networks: Playing Jenga with Kinetic Models for Liquid-Phase Electron Microscopy, ACS Precision Chemistry 1 (10), 2023, DOI: 10.1021/prechem.3c00078
  • M. Zlatar, D. Escalera-López, M. Gamón Rodríguez, T. Hrbek, C. Götz, R. M. Joy, A. Savan, H. P. Tran, H. N. Nong, P. Pobedinskas, V. Briega-Martos, A. Hutzler, T. Böhm, K. Haenen, A. Ludwig, I. Khalakhan, P. Strasser, S. Cherevko, Standardizing OER Electrocatalyst Benchmarking in Aqueous Electrolytes: Comprehensive Guidelines for Accelerated Stress Tests and Backing Electrodes, ACS Catalysis 13 (23), 2023, pp. 15375 - 15392, DOI: 10.1021/acscatal.3c03880
  • J. M. Linge, V. Briega-Martos, A. Hutzler, B. Fritsch, H. Erikson, K. Tammeveski, S. Cherevko*, Stability of Carbon Supported Silver Electrocatalysts for Alkaline Oxygen Reduction and Evolution Reactions, ACS Applied Energy Materials 6 (22), 2023, DOI: 10.1021/acsaem.3c01717
  • L. Hager, M. Hegelheimer J. Stonawski A. T. S. Freiberg, T .Böhm, A. Hutzler, C. Jaramillo-Hernández, G. Abellan, S. Thiele, J. Kerres, Novel Side Chain Functionalized Polystyrene/O-PBI Blends with High Alkaline Stability for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis (AEMWE), Journal of Materials Chemistry A 11 (41), 2023, pp. 22347 - 22359, DOI: 10.1039/d3ta02978f
  • V. Benavente Llorente, K. J. Jenewein, M. Bierling, A. Körner, A. Hutzler, S. Thiele, A. Kormányos, S. Cherevko, Photocorrosion of Hematite Photoanodes in Neutral and Alkaline Electrolytes, Journal of Physical Chemistry C 127 (39), 2023, pp.19687 - 19697, DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c02969
  • L. Fiedler, T.-C. Ma, B. Fritsch, J. H. Risse, M. Merklein, D. Dworschak, K. J. J. Mayrhofer, A. Hutzler, Stability of Bipolar Plate Materials for Proton-Exchange Membrane Water Electrolyzers: Dissolution of Titanium and Stainless Steel in DI Water and Highly Diluted Acid, ChemElectroChem 10 (20), 2023, Art. Nr. e202300373, DOI: 10.1002/celc.202300373
  • A. Kormányos, Q. Dong, B. Xiao, T. Li, A. Savan, K. Jenewein, T. Priamushko, A. Körner, T. Böhm, A. Hutzler, L. Hu, A. Ludwig, S. Cherevko, Stability of high entropy alloys under electrocatalytic conditions, iScience 26 (10), 2023, Art. Nr. 107775, DOI: 10.1016/j.isci.2023.107775
  • T. Couasnon, B. Fritsch, M. P. M. Jank, R. Blukis, A. Shreiber, A. Hutzler, L. G. Benning, Goethite Mineral Dissolution to Probe Radiolytic Water Chemistry in Liquid-Phase Electron Microscopy, Advanced Science 10 (25), 2023, Art. Nr. 2301904, DOI: 10.1002/advs.202301904
  • J. Schwarz, M. Niebauer (equal contribution), M. Kolesnik-Gray, M. Szabo, P. Chava, L. Baier, J. Schulze, A. Erbe, V. Krstic, M. Rommel, A. Hutzler, Correlating 4x4 Transfer Matrix Modeling with Optical Microspectroscopy for Layer Counting of Anisotropic 2D Materials, Small Methods 7 (10), 2023, Art. Nr. 2300618, DOI: 10.1002/smtd.202300618
  • S. Auffarth, M. Wagner, B. Fritsch, A. Hutzler, T. Böhm, L. Hager, S. Thiele, J. Kerres, Nanophase-Separated Block-co-Polymers Based on Phosphonated Pentafluorostyrene and Octylstyrene for Proton-Exchange Membranes, ACS Materials Letters 5 (8), 2023, pp. 2039 - 2046, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.3c00569
  • M. Milosevic, T. Böhm, A, Körner, M. Bierling, L. Winkelmann, K. Ehelebe, A. Hutzler, M. Suermann, S. Thiele, S. Cherevko, In Search of Lost Iridium: Quantification of Anode Catalyst Layer Dissolution in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers, ACS Energy Letters 8 (6), 2023, pp. 2682 - 2688, DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00193
  • B. Fritsch, A. Körner (equal contribution), T. Couasnon, R. Blukis, M. Taherkhani, M. P. M. Jank, L. G. Benning, E. Spiecker, A. Hutzler, Tailoring the Acidity of Liquid Media with Ionizing Radiation: Rethinking the Acid-Base Correlation Beyond pH, Journal of Physical Chemistry Letters 14 (20), 2023, pp. 4644 - 4651, DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00593
  • M. Koleśnik-Gray, L. Meingast, M. Siebert, T. Unbehaun, T. Huf, G. Ellrott, G. Abellan-Saez, S.Wild, V. Lloret, U. Mundloch, J. Schwarz, M. Niebauer, M. Szabo, M. Rommel, A. Hutzler, F. Hauke, A. Hirsch, V. Krstić, Unconventional conductivity increase in multilayer black phosphorus, npj 2D Materials and Applications 7, 2023, Art. Nr. 21, DOI: 10.1038/s41699-023-00384-2
  • M. Minichová, C. Van Pham, B. Xiao, A. Savan, A. Hutzler, A. Körner, I. Khalakhan, M. Gamón Rodríguez, I. Mangoufis-Giasin, V. Briega-Martos, A. Kormányos, I. Katsounaros, Karl J. J. Mayrhofer, A. Ludwig, S. Thiele, S. Cherevko, Isopropanol Electro-oxidation on Pt-Ru-Ir: A Journey from Model Thin Film Libraries towards Real Electrocatalysts, Electrochimica Acta 444, 2023, Art. Nr. 142032, DOI: 10.1016/j.electacta.2023.142032

2022

  • S. Ruck, A. Körner, A. Hutzler, M. Bierling, J. Gonzalez, W. Qu, C. Bock, S. Thiele, R. Peach, C. Van Pham, Carbon supported NiRu alloy nanoparticles as an effective cathodic catalyst in anion exchange membrane water electrolyzers, Journal of Physics: Energy 4 (4), 2022, Art. No. 044007, DOI: 10.1088/2515-7655/ac95cd
  • B. Fritsch, T. S. Zech, M. P. Bruns, S. Khadivianazar, N. Z. Talebi, A. Körner, M. Wu, S. Virtanen, T. Unruh, M. P. M. Jank, E. Spiecker, A. Hutzler, Radiolysis-Driven Evolution of Gold Nanostructures - Model Verification by Scale Bridging in situ Liquid-Phase Transmission Electron Microscopy and X-Ray Diffraction, Advanced Science 9 (25), 2022, Art. Nr. 2202803, DOI: 10.1002/advs.202202803
  • R. Stöber, F. Mai, O. Sebastian, A. Körner, A. Hutzler, P. Schühle, A highly stable bimetallic transition metal phosphide catalyst for selective dehydrogenation of n-heptane, ChemCatChem 14, 2022, Art. Nr. e202200371, DOI: 10.1002/cctc.202200371
  • Y.-P. Ku, K. Ehelebe, A. Hutzler, M. Bierling, T. Böhm, A. Zitolo, M. Vorokhta, N. Bibent, F. D. Speck, D. Seeberger, I. Khalakhan, K. J. J. Mayrhofer, S. Thiele, F. Jaouen, S. Cherevko, Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media Causes Iron Leaching from Fe-N-C Electrocatalysts, Journal of the American Chemical Society 144 (22), 2022, S. 9753 - 9763, DOI: 10.1021/jacs.2c02088
  • B. Fritsch, M. Wu, A. Hutzler, D. Zhou, R. Spruit, L. Vogl, J. Will, R. H. H. Pérez Garza, M. März, M. P. M. Jank, E. Spiecker, Sub-Kelvin thermometry for evaluating the local temperature stability within in situ TEM gas cells, Ultramicroscopy 235, 2022, Art. Nr. 113494, DOI: 10.1016/j.ultramic.2022.113494

2021

  • B. Fritsch, A. Hutzler (equal contribution), M. Wu, S. Khadivianazar, L. Vogl, M. P. M. Jank, M. März, E. Spiecker, Accessing local electron-beam-induced temperature changes during in situ liquid-phase transmission electron microscopy, Nanoscale Advances 3 (9), 2021, S. 2466 - 2474 , DOI: 10.1039/D0NA01027H
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Letzte Änderung: 16.03.2024