2D nanolamellar materials toward water-energy nexus applications

Abstract

Electrochemical water desalination is an emerging technology known for its high efficiency and low energy consumption in removing ions from aqueous media. The present thesis begins by explaining the fundamentals of a typical electrochemical water desalination system and presenting relevant performance metrics. The significance and limitations of the latter metrics are then discussed based on the generations of the electrodes developed during the past few decades. This report seeks to expand the scope by investigating MXene (titanium carbide) as a purely pseudocapacitive material characterized by a capacitor-like electric response achieved through ion intercalation. Afterward, the merit of MXene when utilized as an electrode in electrochemical desalination is investigated for both single-salt and multi-salt aqueous solutions, ultimately establishing qualitative insights into the relationship between MXene properties and its electrochemical desalination behavior. Finally, the thesis goes beyond MXene and explores its sibling materials, such as MBene (transition metal boride), for lithium-ion battery electrodes. As another application of 2D nanolamellar materials at the water-energy nexus, we have explored MXene conversion into transition metal dichalcogenides by sulfidation heat treatment and its merit as electrodes for hydrogen electrocatalysis. These findings can contribute to developing more efficient and sustainable energy storage, conversion, and desalination technologies.

Elektrochemische Wasserentsalzung ist eine vielversprechende Technologie, die für ihre hohe Effizienz und ihren geringen Energieverbrauch bei der Entfernung von Ionen aus wässrigen Medien bekannt ist. Die vorliegende Arbeit beginnt mit der Erläuterung der Grundlagen eines typischen elektrochemischen Wasserentsalzungssystems und der Darstellung relevanter Leistungskennzahlen. Die Bedeutung und Einschränkungen der letztgenannten Metriken werden dann anhand der in der Vergangenheit entwickelten Generationen von Elektroden diskutiert. Die vorliegende Arbeit untersucht MXene (Titankarbid) als rein pseudokapazitives Material, das durch eine kondensatorähnliche elektrische Reaktion gekennzeichnet ist, die durch Ioneninterkalation erreicht wird. Anschließend wird der Nutzen von MXene bei der Verwendung als Elektrode bei der elektrochemischen Entsalzung sowohl für wässrige Lösungen mit einem Salz als auch mit mehreren Salzen untersucht, um schließlich qualitative Erkenntnisse über die Beziehung zwischen den Eigenschaften von MXen und seinem elektrochemischen Entsalzungsverhalten zu gewinnen. Letztlich erforscht die Arbeit auch MBene (Übergangsmetallborid) sowie die Derivatisierung von MXenen hin zu Übergangsmetalldichalkogeniden durch Sulfidierung für den Einsatz in der Wasserstoffelektrokatalyse untersucht. Die Ergebnisse dieser Studien können zur Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Technologien zur Energiespeicherung, -umwandlung und -entsalzung beitragen.