Nanoskalige Pt Legierungselektrokatalysatoren mit definierter Morphologie: Synthese, Electrochemische Analyse, und ex-situ/in-situ Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Studien

• Antragsteller: Dr. Marc Heggen; Professor Dr. Peter Strasser
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257727131

Eine Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie ist für zukünftige Energieumwandlungs- und Speicheranwendungen von großer Bedeutung. Protonenaustauschmembran (PEM) Brennstoffzellen sind als saubere Energiequellen für mobile und stationäre Geräte von besonderem Interesse. Besonders wichtig ist es, den Anteil von teurem Pt als Brennstoffzellenkatalysator zu reduzieren, ohne die Aktivität und Langzeitstabilität zu beeinträchtigen. Oktaederförmige Pt-Ni Nanopartikel (NP) haben als Katalysatoren für PEM-Brennstoffzellen ein hervorragendes Leistungsvermögen. Oft fehlt es den facettierten NP-Katalysatoren jedoch an Langzeitstabilität, z.B. aufgrund von Formverlust. Die elektrochemische Aktivität und Stabilität dieser Katalysatoren ist entscheidend von ihrer atomaren Struktur abhängig, welche durch die Synthese und Nachbehandlung der NP bestimmt wird. Zur Optimierung deren Leistung ist es daher von großer Bedeutung, die atomaren Mechanismen von Wachstum und Degradation zu verstehen.In der ersten Förderperiode dieses Projekts haben wir oktaedrische Pt-Legierungs-NP mit kontrollierter Größe und Oberflächenzusammensetzung synthetisiert, verschiedene Nachbehandlungsverfahren zur Optimierung ihrer Oberflächenstruktur benutzt, ihre elektrochemische Aktivität und Stabilität untersucht und die strukturelle Entwicklung der Katalysatoren während des gesamten Prozesses durch analytische Elektronenmikroskopie überwacht. Das Ziel war, die mikrostrukturelle Entwicklung auf atomaren Maßstab mit den elektrokatalytischen Aktivitäten und Langzeitstabilitäten zu korrelieren um letztlich einen Beitrag zur Herstellung stabilerer Katalysatoren zu liefern. Insbesondere konnten wir zeigen, dass die Oberflächendotierung mit Rhodium die Formstabilität der Katalysatoren wesentlich erhöhen und eine hohe Aktivität aufrechterhalten kann.Das übergeordnete Ziel unseres Nachfolgeprojekts sind methodische und konzeptionelle Fortschritte bei der mikrostrukturellen Analyse und Beschreibung von oberflächendotierten PtNi-NP-Elektrokatalysatoren und ein tieferes Verständnis ihrer Oberflächenchemie und strukturellen Entwicklungen unter elektrokatalytischen Bedingungen. Wir wollen dieses Ziel erreichen, indem wir die Auswirkungen spezifischer synthetisch-methodischer Ansätze auf die chemischen und strukturellen Umwandlungen von facettierten Elektrokatalysatoren unter realistischeren "in situ" und "operando"-Bedingungen untersuchen. Insbesondere werden wir uns konzentrieren auf: i) eine systematische Untersuchung von Oberflächendotierungseffekten auf die strukturelle Stabilität und Zusammensetzung, ii) die chemische und thermische in situ Nachbehandlung und deren Auswirkungen auf Morphologie, Struktur und Zusammensetzung, iii) in situ Untersuchungen zur Wechselwirkung mit reaktiven Gasen mit der Elektrokatalysatoroberfläche und schließlich iv) in-situ und operando-Untersuchungen von Elektrokatalysatoren in elektrochemischen flüssigen Zellen

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. David Muller