High Entropy Metal Hydroxide Organic Framework for Catalysing Oxygen Evolution Reaction

Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung, Synthese, Charakterisierung und Anwendung von high-entropy Metallhydroxid-Organische Frameworks (HE-MHOFs), bestehend aus 2D-Hochentropie-Hydroxidschichten, die in einer kristallinen MOF-Matrix eingebettet sind. Unter milden solvothermalen Bedingungen synthetisiert, weisen diese Frameworks eine zufällige, jedoch homogene Verteilung mehrerer Metallkationen auf, wodurch ein stabiler high-entropy Zustand erreicht wird. Wir zeigen, dass diese multielementare Integration entscheidend zur Verbesserung der elektrokatalytischen Performance und Stabilität beiträgt. HE-MHOFs zeigen herausragende Aktivität bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), mit einer Stromdichte von 100 mA cm⁻² bei etwa 1,64 V(RHE) und einer stabilen Stromdichte von 10 mA cm⁻² über 100 Stunden unter alkalischen Bedingungen. Bemerkenswerterweise übertrifft die Performance dieses edelmetallfreien Katalysators jene des state-of-the-art IrO₂-Katalysators, obwohl er nur etwa 60 % OER-aktive Metalle wie Mn, Co und Ni enthält. Mechanistische Einblicke aus operando-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und ab initio-Berechnungen zeigen, dass die high-entropy Oberfläche einen multifunktionalen OER-Mechanismus begünstigt, indem sie synergistische Wechselwirkungen zwischen verschiedenen katalytischen Zentren ermöglicht. Diessteigert nicht nur die Aktivität, sondern trägt auch maßgeblich zur außergewöhnlichen Stabilität des Materials bei. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von high-entropy Strategien zur gezielten Gestaltung von Elektrokatalysatoroberflächen für komplexe Reaktionen und heben HE-MHOFs als vielversprechende Materialklasse für künftige, kostengünstige und nachhaltige Technologien der Wasserelektrolyse hervor. Letztlich liefert diese Arbeit einen möglichen Weg zur Verringerung der Abhängigkeit von Edelmetallen, zur Senkung der Metallbeladung und zur rationalen Entwicklung multifunktionaler Materialien auf Basis entropiegetriebener Ansätze.