Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe
Electrochemical oxygen evolution on Hf2B2Ir5 electrode material
11. November 2020
The water electrolysis is an electrochemical way for production of hydrogen, which is considered as one of the future energy carrier molecules. Therefore, looking at numerous advantages of proton exchange membrane electrolysis compared to the classical alkaline variant, it’s efficiency and applicability on the large scale is of huge importance nowadays. However, the slow kinetics of the anode oxygen evolution reaction (OER) limits the overall electrolysis process and requires an active and stable electrocatalyst. Such need inspired the scientists of Chemical Metal Science and Physics of Correlated Matter departments at MPI CPfS together with the Fritz-Haber-Institut in Berlin to employ their longstanding expertise in chemistry of intermetallic compounds, electronic features of solid matter and electrocatalysis to make a step forward in this challenging direction. As a result of fruitful teamwork, the concept of cooperative phases with different stabilities under OER conditions was successfully demonstrated with the intermetallic compound Hf2B2Ir5 as a self-optimizing electrocatalyst for OER.
Based on chemical bonding analysis, the intermetallic compound Hf2B2Ir5 has a cage-like type of the crystal structure: the two-dimensional layers of B2Ir8 units are interconnected by two- and three-center Ir-Ir interactions to polyanionic framework and hafnium atoms are guesting in such anionic cages. The atomic interactions features are reflected in the electronic structure of Hf2B2Ir5 and its chemical behaviour under OER conditions. The initial electrochemical OER activity of Hf2B2Ir5 sustains during the continuous operation at elaborated current densities of 100 mA cm-2 for at least 240 h (Figure 1) and positions this material among Ir-based state-of-the-art electrocatalysts. The harsh oxidative conditions of OER activate the surface-limited changes of the pristine material and as a result the electrochemical performance is related to the cooperative work of Ir-terminated surface of the ternary compound itself and agglomerates of IrOx(OH)y(SO4)z particles (inset of Figure 1). The latter are formed mainly due to the oxidation of HfB4Ir3 secondary phase and near-surface oxidation of the investigated compound. The presence of at least two OER-active states of Ir, originated from the Hf2B2Ir5 under OER conditions, was confirmed by the XPS analysis (Figure 2). The experimental data (electrochemical results, material characterization using bulk-and surface-sensitive methods, elemental analysis of the used electrolyte) are consistent with the chemical bonding analysis. The illustrated concept of cooperative phases with different chemical stabilities under OER conditions can be explored to other systems and offers a perspective knowledge-based way for discovery of new effective OER-electrocatalysts.
Iryna Antonyshyn/IA
Figure 1. OER performance of Hf2B2Ir5 anode material, represented by linear sweep voltammograms measured during the long-term chronopotentiometry experiment (0.1 M H2SO4, j = 100 mA cm-2, t = 0 ... 240 h). Inset: morphology of Hf2B2Ir5 material afterwards.
Figure 1. OER performance of Hf2B2Ir5 anode material, represented by linear sweep voltammograms measured during the long-term chronopotentiometry experiment (0.1 M H2SO4, j = 100 mA cm-2, t = 0 ... 240 h). Inset: morphology of Hf2B2Ir5 material afterwards.
Figure 2. Ir 4f core levels in Hf2B2Ir5 material: pristine state (black) and after 240 h of chronopotentiometry at 100 mA cm-2 current density (pink). The reference lines are drawn for Ir 4f in intermetallic Hf2B2Ir5 (black dashed), elemental Ir (grey dashed) and rutile IrO2 (red dashed).
Figure 2. Ir 4f core levels in Hf2B2Ir5 material: pristine state (black) and after 240 h of chronopotentiometry at 100 mA cm-2 current density (pink). The reference lines are drawn for Ir 4f in intermetallic Hf2B2Ir5 (black dashed), elemental Ir (grey dashed) and rutile IrO2 (red dashed).
Die ortsaufgelöste Bestimmung welche der beiden enantiomorphen Strukturvarianten – die linkshändige oder die rechtshändige – einer chiralen Phase in einem polykristallinen Material vorliegt, steht im Zentrum unserer Veröffentlichung in Science Advances. Anhand von EBSD (electron backscatter diffraction) Messungen wird dies erstmals für die chiralen Elementstruktur β-Mn gezeigt für die eine Bestimmung der Händigkeit mit üblichen Röntgenbeugungsverfahren bisher nicht möglich ist.
Dr. Guowei Li from the Solid State Chemistry Department has left our institute this month. However, he fortunately will stay in close cooperation with members of our institute.
Die amerikanische National Academy of Sciences (NAS) hat Claudia Felser als Internationales Mitglied unter dem Auspizium der Sektion Angewandte Physik in Anerkennung ihrer herausragenden und anhaltenden Forschungsleistungen berufen.
Maja Bachmann aus der Abteilung Physik der Quantenmaterialien ist für ihre herausragende Doktorarbeit mit der Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft ausgezeichnet worden.
Researchers at MPI-CPfS have shown, through muon implantation experiments, that in Sr2RuO4 the onset of superconductivity causes spontaneous electrical currents to flow. They did this by showing that the onset of these currents splits from the main superconducting transition under uniaxial stress, which proves that it is a distinct transition, not a measurement artefact.
“Grüner Wasserstoff” erfährt seit Einführung der Nationalen Wasserstoffstrategie eine hohe Aufmerksamkeit als Energieträger und Baustein für verschiedene industrielle Prozesse. Seine Herstellung durch die Wasserelektrolyse unter Verwendung von nachhaltigem Strom ist daher ebenfalls stark ins Zentrum der Forschung gerückt. Von den beiden Halbreaktionen der Wasserelektrolyse ist die Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (OER) kinetisch anspruchsvoller und erfordert die Entwicklung innovativer Elektrokatalysatoren.
A team of scientists from the MPI CPfS in the research field Chemical Metals Sciences prepared a new intermetallic compound by the high-pressure high-temperature technique. From quantum-chemical analysis, this material is formed by chain polyanions of Ge atoms and four-atomic cluster polycations Lu4. It constitutes an important step in the understanding of chemical bonding in intermetallic compounds.
Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des MPI CPfS hat eine neuartige experimentelle Methode entwickelt, die direkte Bilder von angeregten Zuständen in einer Übergangsmetallverbindung liefert, ohne dass komplexe Rechnungen erforderlich sind. Dies ist ein wichtiger Schritt für das Verständnis der elektronischen Struktur und der vielfältigen Physik dieser Materialien.
Topologische Materialien zeichnen sich durch einzigartige elektronische und physikalische Eigenschaften aus, die von der zugrundeliegenden Topologie ihrer elektronischen Systeme bestimmt werden. Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Mikrostrukturphysik (Halle) und für Chemische Physik fester Stoffe (Dresden) haben jetzt entdeckt, dass (TaSe4)2I das erste Material ist, bei dem eine Ladungsdichtewelle einen Phasenübergang zwischen dem Zustand des Halbmetalls zum Isolator induziert.
Für die Wahlperiode 2020 bis 2024 wurden als Gleichstellungsbeauftragte Dr. Gudrun Auffermann (Festkörperchemie) und als Stellvertreterin Renate Hempel-Weber (Physik der Quantenmaterie) gewählt. Wir gratulieren recht herzlich und wünschen alles Gute für die Ausübung dieses wichtigen Amtes.
Traditionell wird der Quanten-Hall-Effekt ausschließlich mit zweidimensionalen Metallen in Verbindung gebracht. Jetzt fanden Wissenschaftler am MPI CPfS Signaturen eines unkonventionellen Hall-Effekts im Quantenlimit des Bulk-Metalls HfTe5, der neben dem dreidimensionalen Quanten-Hall-Effekt eines einzelnen Elektronenbandes bei niedrigen Magnetfeldern auftritt.
