Kern-Schale-Nanopartikel in Kathodenkatalysatoren für PEM-Brennstoffzellen

• Applicants: Professor Dr. Michael Bron; Professor Dr. Wolfgang Grünert
• Subject Area: Energy Process Engineering ; Technical Chemistry
• Term: from 2012 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 215641492

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Im Rahmen des Vorhabens konnte erfolgreich eine neuartige elektrochemische Zelle für operando-XAS-Untersuchungen an Membran-Elektroden-Einheiten entwickelt und in Messzeiten an verschiedenen Synchrotrons eingesetzt werden. Die Zelle arbeitet mit streifendem Einfall des Röntgenlichts auf die Elektrode und zeichnet sich durch den sicheren Ausschluss von Störsignalen durch die Gegenelektrode aus. Die elektrochemische Steuerung der Zelle erfolgt durch einen eigens aufgebauten Brennstoffzellenteststand. Das aufgebaute Messsystem ermöglicht somit operando-XAS-Untersuchungen unter Bedingungen, die von industriellen Testbedingungen quasi ununterscheidbar sind. Aus der Auswertung der bei operando-XAS-Untersuchungen erhaltenen Daten konnten Hinweise über das Alterungsverhalten von PtCo-Legierungskatalysatoren erhalten werden. So kommt es auch unter potentiostatischen Bedingungen zu einer Oxidation des Kobalts und dessen Herauslösen sowie zu einem Verlust an Ordnung um die Pt-Atome. Die genaue Natur der zurückbleibenden Katalysatorpartikel ist noch unklar. Vorschläge für weitere Untersuchungen konnten abgeleitet werden. Neben den beschriebenen Arbeiten zu operando-Studien wurden Arbeiten zur Synthese von Kern-Schale-Katalysatoren durchgeführt. Dabei wurde einerseits der Ansatz des elektrochemischen Ätzens verfolgt. Es wurden bei der Nachpräparation von Literaturarbeiten trotz nachweislicher struktureller Entsprechungen überraschende Unterschiede zur Literatur hinsichtlich der elektrokatalytischen Aktivität beobachtet. Es ergaben sich Hinweise darauf, dass die Alterung von PtCu-Legierungsnanopartikeln in zwei Stufen erfolgt, von denen die erste die Aktivität nicht oder gar positiv beeinflusst, aber von einem zweiten Desaktivierungsprozess überlagert wird. Darüber hinaus wurde eine gänzlich neue Methode zur Herstellung von Kern-Schale-Katalysatoren über eine elektrochemische Pulsabscheidung entwickelt. Dabei wird um Kohlenstoff-geträgerte Nanopartikel als Kerne eine dünne Pt-Schale aufgebaut. Bei diesem Verfahren macht man sich die geringere Überspannung der Pt-Abscheidung am Kern als am Träger zunutze. Es gelang, dies Verfahren als Erfindung zu patentieren. Erste erfolgreiche Untersuchungen zur Aufskalierung dieses Verfahrens in einem elektrochemischen Suspensionsreaktor wurden ebenfalls erfolgreich durchgeführt.

Publications

• ”Electrochemical synthesis of core-shell catalysts for electrocatalytic applications”, ChemPhysChem. 11 (2010) 2854-2861
  C. Kulp, X. Chen, A. Puschhof, S. Schwamborn, W. Schuhmann, M. Bron
  
• ”Synthesis and characterization of core-shell catalysts for oxygen reduction in PEM fuel cells”, Electrochemistry, Giessen, 06. 08.10.2008
  C. Kulp, W. Schuhmann, M. Bron
  
• „Verfahren zur Herstellung von Kern-Schale-Katalysatoren“, EP 09155539.1 und DE 10 2008 050 577 A1
  W. Schuhmann, C. Kulp, M. Bron
  
• ”A new approach to in-situ characterization of proton exchange membrane fuel cells by x-ray absorption spectroscopy”, 42. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar, 11.-13.03.2009
  O. Petrova, M. W. E. van den Berg, M. Lopez, W. Grünert
  
• ”Supported Core-Shell Structures for Electrocatalytic Applications”, 7th Spring Meeting of the International Society of Electrochemistry, Szczyrk (Polen), 22.-25.03.2009
  C. Kulp, W. Schuhmann, M. Bron
  
• ”A new Spectroscopic PEMFC Test Setup Allowing Fluorescence XAS Measurements on Operating MEAs”, 2nd Carisma Conference on Progress in MEA Materials for Medium and High Temperature PEM Fuel Cells, La Grade Motte (Frankreich), 19.-22.09.2010
  O. Petrova, C. Kulp, M. W. E. van den Berg, M. Lopez, M. Bron, W. Grünert
  
• ”Optimisation of a slurry reactor for electrodeposition of platinum on carbon supported metal nanoparticles”, Electrochemistry 2010, Bochum, 13.-15.09.2010
  C. Kulp, W. Schuhmann, M. Bron
  
• ”Synthesis and investigations of carbon-supported Cu-rich Pt alloy nanoparticles”, 43. Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar, 10.-12.03.2010
  O. Petrova, M. W. E. van den Berg, W. Grünert, M. Lopez
  
• ”Synthesis of Carbon Supported Core-Shell Nanoparticles in an Electrochemical Slurry Reactor”, 61st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, Nizza (Frankreich), 26.09.-01.10.2010
  C. Kulp, W. Schuhmann, M. Bron
  
• ”A Spectroscopic PEM Fuel Cell Test Setup allowing Fluorescence XAS Measurements during State-of-the-art Cell Tests”, Rev. Sci. Instr. 82 (2011) 044101
  O. Petrova, C. Kulp, M.W.E. van den Berg, K.V. Klementiev, B. Otto, H. Otto, M Lopez, M. Bron, W. Grünert