Dynamic electro-chemo-mechanical analysis at the metal-electrolyte interface

Abstract

The link between the mechanical deformation and the electrochemical processes on the surfaces of metal electrodes is experimentally studied.

Firstly, Dynamic Electro-Chemo-Mechanical Analysis (DECMA) is designed and validated as a precise experimental strategy to investigate the potential- and current- modulation in response to the cyclic elastic strain during the cyclic voltammetry. Secondly, the mechanically modulated catalysis is investigated experimentally by monitoring the reaction current modulation during the strain cycles on the electrode. As a model process in study, the hydrogen evolution reaction (HER) is focused in experiments on 111-textured, polycrystalline gold and platinum thin film electrodes. The results show the strain-dependence of the hydrogen adsorption enthalpy as well as the reaction activation enthalpy in HER.

The main conclusion is that the reaction rate of heterogeneous catalysis varies considerably when the surface is elastically strained in the tangent plane. This opens a new perspective on tuning the elastic deformation - in other words, tuning the lattice parameter of surface atoms - of catalysts, so as to enhance their reactivity. The approach of monitoring mechanically modulated reaction rates in electrocatalysis can be also applied to the electrocatalytic reactions of interest. It is prospected as a tool for studying strain-dependent catalysis and for investigating reaction mechanism.

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der mechanischen Verformung und den elektrochemischen Vorgängen auf der Oberfläche von metallischen Elektroden experimentell untersucht.

Zunächst wird die dynamische elektrochemisch-mechanische Analyse (DECMA) als eine präzise experimentelle Strategie entworfen und validiert, um während der zyklischen Voltammetrie die Modulation von Potential und Strom als Antwort auf die zyklisch variable elastische Dehnung zu untersuchen. Anschließend wird durch die Beobachtung der Modulation des Reaktions-Stroms während der Dehnungszyklen der Elektrode auch die mechanisch modulierte Katalyse experimentell untersucht. Die Studien konzentrieren sich auf einen Modell-Prozess: Die Evolution der Reaktion mit Wasserstoff (engl.: HER) an 111-texturierten, polykrstallinen Goldund Platin-Dünnfilmelektroden. Aus den Messungen ergeben sich sowohl die Dehnungs-Abhängigkeit der Wasserstoff-Adsorptionsenthalpie als auch der Aktivierungsenthalpie der Reaktion bei HER.

Als wesentliche Schlussfolgerung ergibt sich, dass die Reaktionsrate der heterogenen Katalyse deutlich variiert, wenn die Oberfläche elastisch in der Tangentialebene gedehnt wird. Dies eröffnet neue Perspektiven für die gezielte Abstimmung der elastischen Verformung von Katalysatoren – in anderen Worten, der Gitter-Parameter der Oberflächen-Atome – mit der Folge der Verstärkung ihrer Reaktivität. Diese Vorgehensweise der Beobachtung von mechanisch modulierten Reaktionsraten bei der Elektrokatalyse kann auch auf elektrokatalytische Reaktionen von Interesse angewendet werden. Es ist beabsichtigt, dies als ein Werkzeug für die Untersuchung der dehnungsabhängigen Katalyse und des Reaktionsmechanismus einzuführen.