Strukturelle und elektrochemische Charakterisierung von funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren als Elektrodenmaterial in Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Abstract

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) gelten als vielversprechendes Elektrodenmaterial für Energiespeichersysteme und wurden in der vorliegenden Dissertation im Anwendungsgebiet der Vanadium-Redox-Flow-Batterie hinsichtlich der elektrokatalytischen Aktivität und deren Abhängigkeit von strukturellen Eigenschaften untersucht. Zunächst werden unterschiedliche Funktionalisierungsmethoden zum Eintrag von Sauerstoff bzw. Stickstoff in das CNT-Gerüst dargelegt. Die dabei auftretenden Defekte und Änderungen in der Morphologie werden mit Hilfe von XPS, Raman-Spektroskopie, TEM und TGA analysiert. Schwerpunkt ist hierbei die Bestimmung der Oberflächenzusammensetzung und Aufschlüsselung der funktionellen Gruppen an der CNT-Oberfläche. Im zweiten Abschnitt werden elektrochemische Aktivität und Stabilität der modifizierten CNTs mittels Zyklovoltammetrie, elektrochemischer Rastermikroskopie und Polarisationskurven untersucht. Am Ende werden auftretende Korrelationen zwischen Sauerstoff- oder Stickstoff-Gehalt und der elektrokatalytischen Aktivität aufgezeigt.

Carbon nanotubes (CNTs) as promising electrode material for energy storage applications were investigated in this thesis for Vanadium-Redox-Flow-Battery setups concerning the electrocatalytic activity and their dependence on structural properties. At first various functionalization procedures incorporating oxygen and nitrogen atoms in the CNT structure are demonstrated. Occurring defects and changes in the morphology of the modified CNTs are characterized with XPS, Raman spectroscopy, TEM and TGA. On this occasion the main part of structural characterization focusses on the surface composition and the distinction of functional groups on the CNT surface. In the second part the electrochemical properties of modified CNTs including activity and stability are analyzed with cyclic voltammetry, scanning electrochemical microscopy and polarization curves. Appearing correlations between oxygen or nitrogen content and the electrocatalytic activity are pointed out at the end.