TiO2-Monolithe mit einstellbarer Porenstruktur als Ausgangsmaterial für optimierte Ti4O7-Elektrodenmaterialien

Abstract

In dieser Arbeit werden TiO2-Monolithe als Vorläuferstrukturen für Ti4O7-Monolithe hergestellt, die ein hohes Potential als Elektrodenmaterial für neue Batteriekonzepte zeigen.Um den Einfluss der Porenstruktur auf die Eigenschaften als Elektrodenmaterialien untersuchen zu koönnen, wurden sowohl die Meso- als auch die Makroporenstruktur der TiO2-Monolithe unabhängig voneinander variert. Um dies zu erreichen, waren detaillierte Untersuchungen des Synthesemechanismus nötig, was zu einem besseren Verständnis der ablaufenden Prozesse und vorliegenden Verbindungen führte. Die Makroporen ließen sich in einem Bereich von 100 nm bis 15 nanometer einstellen, die Mesoporen konnten durch den Einsatz geeigneter Ionischer Flüssigkeiten als Template von 6 nm auf bis zu 27 nm aufgeweitet werden.Um Nebenphasen in der gewählten H2-Reduktion zu umgehen, wurden zunächst mit Hilfe von kommerziellen TiO2-Nanopartikeln der Reduktionsprozess eingängig untersucht. Die dabei identifizierten Einflussgrößen wurden genutzt, um gezielt für verschiedene Strukturen phasen-reines Ti4O7 zu erhalten. Die als optimale Reduktionsbedingungen identifizieten 24 Stunden bei 1200 Grad Celsius in einem 50 sscm Gasstrom mit 7 % H2-Anteil wurden dabei beibehalen. Die Porenstruktur des erhaltenen Ti4O7 kann im Fall der Monolithen auf die des eingesetzten TiO2-Monolithen zurückgeführt werden, was eine gezielte Herstellung verschiedener Ti4O7-Monolithe ermöglichte.Es wurden umfangreiche Analysen an den erhaltenen Ti4O7-Monolithen durchgeführt. Von besonderem Interesse war die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit als wichtigste Eigenschaft für elektrochemische Anwendungen von der Struktur des Materials. Neben den verschiedenen Porenstrukturen wurden auch unterschiedliche Vorläuferstrukturen berücksichtigt. Dabei zeigte sich, dass die Monolithe gegenüber Nanopartikeln oder Nanofasern als Ausgangsmaterial trotz Vergleichbarkeit der resultierenden Ti4O7-Strukturen deutlich Vorteile sowohl bezüglich der mechanischen Stabilität als auch den elektrischen Leitwerten zeigen. Die unterschiedlichen Porenstrukturen der Monolithe hingegen zeigen eine untergeordnete Rolle, was eine Möglichkeit zur Optimierung der Elektrolyt-Grenzfläche in einer Batterie ohne Leitwertverluste ermöglicht. This thesis is TiO2 monoliths were synthesized as starting material for Ti4O7 monolith which are proimising electrode materials for new battery concepts.To be able to investigate the influence of the pore structure on the electrode properties the meso- as well as the macropore structure of the TiO2 monoliths were varied independently. Detailed investigation concerning the synthesis mechanism were necessary to archive this variations and led to a better understanding of the occuring processes and the present compounds. The Macropores could be adjusted between 100 nm and 15 nanometer, the mesopores could be widened from 6 nm to 27 nm by adding appropriate ionic liquids as templates.By-phases in the reductin with H2 were avoided by preliminary investigations on the reduction process with commercially available TiO2 nanoparicles. The identified influence parameters were purposefully used to obtain phase-pure Ti4O7starting from different structures. The reduction conditions of 24 hours at 1200 Grad Celsius with a gas flow of 50 sscm and a H2 share of 7 % were identified as optimum retained. In case of monoliths, the pore structure of the obtained Ti4O7 can be ascribed to the used TiO2 monoliths leading to the possibility of selective syntheses of different Ti4O7 monoliths.Extensive analysis was performed on the obtained Ti4O7 monoliths. Especially the electical conductance as major characteristic for electrochemical applications was of high interest. Besides the varying pore structures, the different starting materials were taken into account. In the course of this, monoliths exhibited superior properties concerning mechanical stability and electrical conductivity compared to nanoparticles or nanofibers as starting material even though the resulting Ti4O7 structures were comparable. However, the different pore structures of the monoliths only had a minor influence opening the opportunity to optimize the electrolyte interface in a battery without loss of conductivity.