title: Synthesis and characterization of nanostructured dendritic layers made by electrodeposition
Creators: name: Rafailovic, Lidija
Publisher: name: :none
Year: 2011

description: Elektrolytische Abscheidung hat immense Vorteile bei der Synthese von nanostrukturierten Materialien, da es die Möglichkeit bietet eine große Vielzahl an Materialien zu erzeugen, welche üblicherweise sehr kleine Korngrößen im Bereich von 20 nm aufweisen können. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es verschiedene ferromagnetische Nanopulver und Metallabscheidungen mit immenser Oberfläche zu erzeugen und zu charakterisieren, sodass diese als Elektroden in verschiedenen elektrochemischen Geräten wie beispielsweise Brennstoffzellen oder Batterien eingesetzt werden können. Wichtige Eigenschaften solcher Elektroden sind deren poröse Struktur zum schnellen Transport von Gasen und Flüssigkeiten sowie deren große Oberfläche für den Ablauf des elektrochemischen Prozesses. Zur Herstellung wurde ein Verfahren gewählt/entwickelt, welches mittels eines extremen Negativpotentials während der Abscheidung eine dendritische Struktur erzeugt. Dabei tritt in wässrigen Lösungen eine sehr schnelle Reduktion von Protonen oder Wassermolekülen zu H2 auf, welche wiederum bei sehr großem negativen Potential zur Bildung von Gasblasen an der Kathode führt. Mit Hilfe dieses Verfahrens konnte ein dentditischer CoNi Schwamm hergestellt werden. Diese Struktur ist ein Spezialfall der Struktur von abgeschiedenem CoNi bei ausgewählten sehr hohen Stromdichten auf einem polykristallinem Cu Substrat. Die Auswahl eines geeigneten Materials für das Substrat, welches geringe Benetzung und gleichzeitig eine sehr geringe Dichte an strukturellen Defekten aufweist, erlaubt das gezielte Maßschneidern der Struktur des abgeschiedenen Materials bei geringerer Stromdichte. Für diesen Fall wurden Kupfer Einkristalle in (111) Orientierung als Substrat verwendet. Die äußerst geringe Zahl an Nukleationskeimen an der Oberfläche erzeugt einen lokalisierten Fluss an Metallionen in der Nähe der Wasserstoffblasen. Dadurch ist es möglich dendritische Strukturen mit Korngrößen von nur 9 nm zu erzielen. Weiters hat die Beschaffenheit der porösen CoNi Schicht einen sehr starken Einfluss auf die Kinetik der Redoxreaktion, wie sie in Batterien stattfindet. Auch während der Elektrolyse zeigen poröse Materialien eine erhöhte katalytische Wirksamkeit für die Bildung von Sauerstoff. Weiters wurden in dieser Arbeit anodendritische Schichten und Pulver aus NiCoFe hergestellt. Am Beginn des Prozesses wiesen die Pulver eine Partikelgröße von etwa 100 µm mit darin enthaltenen Dendritstrukturen in der Größenordnung von etwa 50 nm, bestehend aus einzelnen Dentritzweigen mit etwa 8 nm großen Körnern, auf. Diese hierarchische Ordnung in dendritischem NiCoFe spiegelt sich auch in der hohen Hausdorff Fraktaldimension von 1.77 wider, welche nahe an jener von Farnpflanzen liegt. Der Prozess der Selbstassemblierung in nanostrukturierten Materialien führt zu einer Nano-Dendritstruktur, welche ausgezeichnete igenschaften für diverse praktische Anwendungen bieten könnte. So wird durch Messungen gezeigt, dass diese Legierung durch das intensive Auftreten von H2 Gasblasen kreisförmige Vertiefungen von etwa 20 µm Durchmesser aufweist und adurch ein äußerst effektiver Katalysator für die Reduktion von Stickstoff ist.
description: The electrodeposition technique has significant advantages for synthesizing nanocrystalline metals and alloys such as the potential of synthesizing a large variety of nanograined materials: pure metals and alloys with grain sizes as small as 20 nm. The goal of this work is to obtain different ferromagnetic alloy nanopowders and metal disperse deposits with a highly developed surface area that could be used as electrodes in electrochemical devices such as fuel cells, batteries and sensors. The basic characteristics of these electrodes are: the open porous structure which enables rapid transport of gas and liquid, and the extremely high surface area which is desirable for electrochemical reactions. An approach that involves the application of extremely negative overpotential during metal electrodeposition, i.e. H2 co-evolution method was used for deposition of dendritic deposits. Aqueous solutions undergo a rapid reduction of protons to H2 that lead to the evolution of hydrogen gas bubbles at the cathode at such large negative overpotentials. This strategy was applied to make dendritic NiCo foam on different substrates. The selection of a substrate material, that shows a low wettability and contains a minimum density of structural defects, allows tailoring the morphology of the foam when single-crystalline Cu (111) is used as a substrate. The very limited number of nucleation sites induces a localized flow of metal ions around large hydrogen bubbles and a nanocrystalline dendritic structure with grains as small as 9 nm can be achieved. The morphology of the open porous CoNi layer has a decisive influence on the kinetics of the surface redox reaction suitable for batteries. In addition, the open morphology of the dendritic foam facilitates catalytic activity for oxygen evolution for electrolyzers. A further route to make hierarchical nanodendritic layers and powders of NiCoFe ternary alloy was used in this study. The powder particles were roughly 100 µm in diameter but contained dendrites down to 50 nm width, comprising nanodendritic branches with grains of about 8 nm. The hierarchical nature of the NiCoFe dendrites is reflected in the high Hausdorff fractal dimensions of 1.773, which is close to that of fern plants. Self-assembly of metallic nanoparticles leads to a dendritic structure that could be suitable for practical applications. Layer deposits possess circular depressions of ca. 20 µm diameter due to the intensive H2 gas evolution that accompanied the alloy deposition. The measurement demonstrated that the alloy is an effective catalyst for nitrate reduction.