Synthese und Charakterisierung von Kohlenstoffnanowänden und deren Anwendung in der Elektrokatalyse
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Syntheseprozess zur Herstellung von Metallnanopartikeln in Kohlenstoffnanowänden mittels induktiv gekoppelter PECVD aus metallorganischen Präkursoren entwickelt und die Schicht- und funktionstechnischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten ergründet. Diese konnten mit den wichtigen Prozessparametern Druck, Gasflussrate, Substrattemperatur und Gaszusammensetzung korreliert werden.
Auf Basis des Wachstums mit Al(acac)3-Präkursor und der Analyse der Plasmachemie und der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Schichten, konnte das zugrundeliegende Wachstumsmodell hinreichend beschrieben werden. Hierbei spielt der Einbau der Metallspezies in die Kohlenstoffmatrix durch Erzeugung von Schichtspannungen und Defekten eine primäre Rolle im Schichtwachstum. Diese Erkenntnisse wurden erfolgreich auf die Abscheidung mit anderen metallorganischen Präkursoren mit Platin-, Eisen- und Nickel-Anteil angewandt, wodurch eine Steuerung der Schichteigenschaften anhand des Modells und durch die Prozessparameter möglich wurde. Niedrige mittlere Partikelgrößen < 3 nm sowie schmale Verteilungen mit einer geometrischen Standardabweichung von < 1,3 können selbst bei hohen Beladungen von über 30 wt% erreicht werden. Zusätzlich konnten durch Anpassung der metallorganischen Präkursoren die gewachsenen Schichten mit Fluor und Stickstoff funktionalisiert sowie, durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Präkursoren, legierte Nanopartikel erzeugt werden. Zuletzt wurde die Eignung der abgeschiedenen Schichten für die Elektrokatalyse nachgewiesen und der positive Einfluss der Einbettung des aktiven Materials auf wichtige Leistungskenngrößen, wie Aktivität und Langzeitstabilität, gezeigt. Trotz der hohen Graphitisierung und einer zusätzlichen Funktionalisierung des Kohlenstoffträgers scheint der dominante Degradationsmechanismus die Kohlenstoffkorrosion zu verbleiben.
In the presented work, a synthesis process for the preparation of metal nanoparticles in carbon nanowalls by inductively coupled PECVD from metal-organic precursors was designed and the layer and functional properties of the deposited films were explored. These could be correlated with key process parameters, such as pressure, gas flow rate, substrate temperature and gas composition.
Based on the growth with Al(acac)3 precursor and the analysis of the plasma chemistry and the physicochemical properties of the layers, the underlying growth model could be sufficiently described. Here, the incorporation of the metal species into the carbon matrix plays a primary role in the film growth, by creating layer strain and defects. These findings were successfully applied to the deposition with other metal-organic precursors containing platinum, iron, and nickel, allowing control of the layer properties based on the model and through the process parameters. Low mean particle sizes < 3 nm and narrow size distributions with a geometric standard deviation of < 1.3 can be achieved even at high loadings of more than 30 wt%. In addition, by adjusting the metal-organic precursors, the grown films could be functionalized with fluorine and nitrogen and, by using multiple precursors simultaneously, alloyed nanoparticles could be generated. Finally, the capability of the deposited films for electrocatalysis was demonstrated and the positive influence of the embedding of the active material on important performance parameters, such as activity and long-term stability, was shown. Despite the high graphitization and an additional functionalization of the carbon support, the dominant degradation mechanism, the carbon corrosion, seems to remain.