Preparation and application of aqueous Iridium oxide colloids [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Frederic Berkermann

Berkermann, Harold Frederic

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• Publié par: ruhr-universitat_bochum
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Preparation and Application of
Aqueous Iridium Oxide Colloids




Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
der Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum








vorgelegt von Diplom-Chemiker
Frederic Berkermann
aus Hattingen

Mülheim an der Ruhr
2010 ___________________________________________________________________





























Referent: Professor Dr. M.T. Reetz
Korreferent: M. Feigel
___________________________________________________________________
Diese Arbeit wurde in der Zeit von Januar 2007 bis September 2010 unter der
Leitung von Professor Dr. M. T. Reetz am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in
Mülheim an der Ruhr angefertigt.

Herrn Prof. Dr. M. T. Reetz danke ich sehr herzlich für die Möglichkeit, eine
interessante und spannende Forschungsarbeit anfertigen zu können und das in mich
gesetzte Vertrauen. Ich danke besonders für die stetige Unterstützung bei fachlichen
und darüber hinausgehenden Fragen.

Für die Übernahme des Korreferats danke ich Herrn Prof. Dr. M. Feigel sowie Herrn
Prof. Dr. H. Dirrigl für die Abnahme der Nebenfachprüfung.

Ich danke Frau R. Lohmer, Frau E. Enk sowie Frau A. Rathofer für die Unterstützung
in allen administrativen Angelegenheiten.

Herrn Prof. Dr. W. Schuhmann danke ich für die Möglichkeit, in seinen Laboratorien
an der Ruhr-Universität Bochum elektrochemische Messungen für die CER
vornehmen zu können. Desweiteren danke ich Stefanie Schwamborn für die dabei
geleistete Unterstützung.

Klaus Kerpen und Andriy Kuklya danke ich sehr herzlich für ihre kompetente
Unterstützung und die fruchtbare Zusammenarbeit in der photokatalytischen
Wasseroxidationsreaktion.

Ich bedanke mich besonders bei Frau Dr. C. Weidenthaler aus der Arbeitsgruppe für
Kristallographie am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung für die Durchführung
unzähliger XPS-Untersuchungen und die kompetente Beratung. Desweiteren gilt
mein Dank Herrn B. Spliethoff und Herrn A. Dreier für die Anfertigung zahlreicher
TEM-Aufnahmen, sowie Herrn H. Bongard für die Durchführung der SEM-
Untersuchungen.

Many thanks to all the former and present group members for the enjoying and
supporting atmosphere in the daily lab and office life. Special thanks go to Horst ___________________________________________________________________
Höbenreich and Juan Pablo Acevedo Cox for being outstanding colleagues in the
office. I would also like to thank John Podtetenieff for his support.
Bei Petra Wedemann, Gerlinde Mehler und Markus Hermes bedanke ich mich für die
Unterstützung bei allen kleinen und größeren Angelegenheiten im Labor und
drumherum.

I thank my wife Cristina for joining me in Germany, as well as for her outstanding
support. Per tu no hi ha prou paraules per agrair-te. Ets la descoberta més gran en
la meva vida. Gràcies per estar al meu costat i recolzar-me en tot moment.

Mein herzlichster Dank geht an meine Familie und insbesondere an meine Eltern.
Ihre Unterstützung auf meinem gesamten Lebensweg und ihr fester Glaube an mich
haben mir diesen Weg erst ermöglicht. Ihnen ist diese Arbeit gewidmet.

Table of Contents I
Table of Contents

1 INTRODUCTION ......................................................................................... 1
1.1 General Aspects and Historical Background ............................................ 1
1.2 Stabilization of Metal Colloids in Liquids .................................................. 5
1.3 Preparation Methods of Metal Colloids .................................................... 7
1.3.1 Physical Preparation Methods .......................................................... 7
1.3.2 Chemical Preparation Methods ......................................................... 8
1.4 Characterization Methods of Colloids .................................................... 11
2 GOALS OF DISSERTATION .................................................................... 13
3 RESULTS AND DISCUSSION .................................................................. 15
3.1 General Aspects of Colloidal Metal Oxides ............................................ 15
3.2 Optimized Synthesis of Iridium Oxide Nanoparticles ............................. 16
3.3 Characterization of Iridium Oxide Colloids ............................................. 29
3.3.1 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) ....................................... 29
3.3.2 X-ray Powder Diffraction (XRD) ...................................................... 37
3.3.3 (HR)TEM/EDX-Analysis .................................................................. 40
3.4 Mixed Colloidal Metal Oxide Colloids ..................................................... 44
3.4.1 Iridium- Platinum Oxide Colloids ..................................................... 45
3.4.2 Iridium- Ruthenium Oxide Colloids ................................................. 54
3.4.3 Iridium- Osmium Oxide Coll63
3.5 Application - Metal Oxide Electrodes ..................................................... 69
3.5.1 Optimized Preparation of Ti / IrO electrodes ................................. 72 2
3.5.2 Electrocatalytic Characterization ..................................................... 82
3.5.2.1 Oxygen Evolution Reaction (OER) .......................................... 82
3.5.2.2 Chlorine Evolution Reaction (CER) ......................................... 92
3.6 Application – Photocatalytic Water Oxidation ...................................... 101
4 SUMMARY AND OUTLOOK .................................................................. 117
5 EXPERIMENTAL SECTION ................................................................... 121
5.1 Introduction .......................................................................................... 121
5.2 Analytics .............................................................................................. 121 II Table of Contents
5.2.1 Elemental Analysis ....................................................................... 121
5.2.2 UV/Vis-Spectroscopy .................................................................... 121
5.2.3 Zeta-Potential Measurements ....................................................... 121
5.2.4 Transmission Electron Microscopy (TEM) .................................... 122
5.2.5 Scanning Electron Microscope (SEM) .......................................... 122
5.2.6 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) ................................... 122
5.2.7 X-Ray Diffraction Analysis (XRD) ................................................. 123
5.2.8 Cyclic Voltammetry ....................................................................... 123
5.2.9 Oxygen Detection in the Photocatalytic Water Oxidation .............. 124
5.3 Colloidal Iridium Oxides ....................................................................... 125
5.3.1 Synthesis of Iridium Oxide Colloid ................................................ 125
5.3.2 Synthesis of Iridium Oxide Colloid with Iridium(III)acetate ............ 125
5.3.3 Purification by Dialysis .................................................................. 126
5.3.4 Purification of Iridium Oxide Colloids by Autoclaving .................... 126
5.3.5 ide Colloids by Heat-treatment ............... 127
5.3.6 Synthesis of Iridium Oxide Colloid at different pH ......................... 127
5.3.7 Synthesis of Iridium Oxide Colloid in Absence of O .................... 128 2
5.4 Colloidal Iridium-Platinum Oxides ........................................................ 129
5.5 Colloidal Iridium-Ruthenium Oxides ..................................................... 129
5.6 Colloidal id130
5.7 Preparation of Ti/IrO Electrodes ......................................................... 131 2
5.7.1 Preparation of the “Literature Electrode” ....................................... 132
5.8 Photocatalytic Water Oxidation ............................................................ 133
5.8.1 Synthesis of Citrate-stabilized IrO Colloids .................................. 134 2
6 ABBREVIATIONS AND ACRONYMS .................................................... 135
7 REFERENCES ........................................................................................ 137
Lebenslauf ..................................................................................................... 141
1
1 INTRODUCTION
1.1 General Aspects and Historical Background
The usage of colloids is well known since ancient time. Colloidal gold solutions
were prescribed as tonics and treatments for diseases like arthritis. Furthermore
[1]it was used for the colorization of ceramics. Their technological importance as
pigments and the not well known properties made them attractive.
The term colloid is derived f