Morphologische und strukturelle Evolution von Co3O4-Nanopartikeln, enthüllt durch in situ elektrochemische Transmissions-Elektronenmikroskopie während der elektrochemischen Wasseroxidation

Das Aufdecken des Mechanismus elektrochemischer Prozesse ist grundlegend für die Suche nach effizienteren und stabileren Elektrodenmaterialien für Geräte zur sauberen Energieumwandlung. Obwohl mehrere in situ Techniken mittlerweile verfügbar sind, um strukturelle Veränderungen während der Elektrochemie, insbesondere bei der Wasseroxidation, zu verfolgen, fehlt eine direkte Beobachtung, im realen Raum, der morphologischen Veränderungen von nanostrukturierten Elektrocathelizatoren. Hier setzen wir eine in situ elektrochemische Transmissions-Elektronenmikroskopie (in situ EC-TEM) Methodik ein, um Elektrokathelisatoren der Sauerstoff-Evolutions-Reaktion (OER) während des Betriebs zu studieren, indem wir Modellkobalt-Oxid Co3O4-Nanopartikel verwenden. Die Beobachtungsbedingungen wurden optimiert, um standardisierte elektrochemische Experimente in einer regulären elektrochemischen Zelle zu simulieren, sodass zyklische Voltammetrie und Chronopotentiometrie in ähnlichen Bedingungen in situ und ex situ durchgeführt werden können. Diese in situ EC-TEM Methode ermöglicht es uns, die chemischen, morphologischen und strukturellen Evolutionsprozesse zu beobachten, die in der ursprünglichen, auf Nanopartikeln basierenden Elektrode auftreten, die verschiedenen wässrigen Elektrolyten und OER-Bedingungen ausgesetzt ist. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Oberflächenamorphisierung erfolgt, die eine nanometrische Kobalt-(oxyhydr)oxid-ähnliche Phase während der OER erzeugt. Dieser Prozess ist irreversibel und tritt in einem Ausmaß auf, das zuvor nicht beschrieben wurde. Darüber hinaus zeigen wir, dass der pH-Wert und die Gegenionen der Elektrolyten diese Rekonstruktion beeinflussen, was Licht auf die Materialeigenschaften in neutralen Phosphatelektrolyten wirft. Neben den strukturellen Veränderungen, die in situ während der elektrochemischen Messungen verfolgt wurden, zeigt diese Studie, dass es möglich ist, sich auf in situ elektrochemische TEM zu verlassen, um Prozesse in Elektrokathelisatoren aufzudecken und gleichzeitig eine gute Korrelation mit ex situ regulärer Elektrochemie zu bewahren.