Neuartige Konzepte für ein kontrolliertes 3D-Design poröser Gasdiffusionselektroden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Michael Bron; Professorin Dr.-Ing. Christina Roth
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 156959796

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projekts war es, poröse Gasdiffusionselektroden für elektrochemische Energieanwendungen, wie z. B. Niedertemperaturbrennstoffzellen, kontrolliert zu strukturieren. Durch die Kombination horizontaler (AG Roth) und vertikaler Strukturierungsmethoden (AG Bron) konnte eine verbesserte Zugänglichkeit der aktiven Metallzentren mit einem guten Kontakt zwischen den ionen- und elektronenleitenden Bestandteilen erreicht werden. PANI wurde in unterschiedlicher Morphologie erzeugt, mit Platinpartikeln belegt und daraus horizontal strukturierte Elektroden erzeugt, die mit FIB-SEM detailliert abgebildet und mit ihrer elektrochemischen Performance korreliert wurden. Der Aufbau vertikal strukturierter Elektroden gelingt über Fe-Abscheidung, CNT-Wachstum über CVD und weitere Funktionalisierung. Über die Wahl der Parameter bei der elektrochemischen Doppelpulsabscheidung können Größe und Dichte der abgeschiedenen Fe-Partikel gesteuert werden. Die Prozessparameter bei der CVD erlauben eine Steuerung der Eigenschaften der gewachsenen Elektroden. Über Einbringung von Graphen, PANI oder sekundärer CNTs kann die elektrochemisch verfügbare Oberfläche deutlich gesteigert werden. Die so hergestellten Elektroden zeigten viel versprechende Eigenschaften in verschiedenen elektrokatalytischen Reaktionen wie der Sauerstoffreduktion oder der Methanoloxidation. Vertikaler und horizontaler Ansatz wurden zu einer systematischen 3D-Strukturierung kombiniert, was zu einer völlig neuen Porenstruktur und Porenverteilung in den Elektroden beitrug. Erste Brennstoffzellentests waren äußerst vielversprechend. Zukünftig ließen sich damit signifikante Leistungssteigerungen sowie eine entscheidende Kostenreduktion erzielen. Aus den Arbeiten ergeben sich zudem neue Forschungs- und Entwicklungsansätze, die zukünftig die gezielte Herstellung 3-dimensionaler Elektroden mit optimierten Eigenschaften ermöglichen können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Stable platinum nanostructures on nitrogen-doped carbon obtained by high-temperature synthesis for use in PEMFC”, J. Appl. Electrochem. 44 (5) (2014) 573 – 580
  B. Peter, J. Melke, F. Muench, W. Ensinger, C. Roth
  
• "Pt supported on nanostructured NCNTs/RGO composite electrodes for methanol electrooxidation", ChemElectroChem 2 (2015) 1396–1402
  P. Wang, T. Kottakkat, M. Bron
  
• „Carbon materials in low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells“, Kapitelbeitrag zu "Advances in Electrochemical Science and Engineering" series, Philip N. Bartlett, Ed. (2015) 241-283
  M. Bron, C. Roth
  
• “Metal-support interactions of platinum nanoparticles deposited on polyaniline and N-doped carbon nanofibres“, ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 82-90
  J. Melke, B. Peter, A. Habereder, J. Ziegler, C. Fasel, A. Nefedov, H. Sezen, C. Wöll, H. Ehrenberg, C. Roth