Elektrochemische Eigenschaften epitaktischer Metalloxidkatalysatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Olaf Magnussen
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284207613

Die Herstellung von H2 ist eine vielversprechende Option für die Speicherung umweltverträglicher Energien. H2 ist eine hervorragende Quelle zukünftiger sauberer Energie. Seine Produktion über die Elektrolyse von Wasser (water splitting, WS) mittels erneuerbarer Energielieferanten (Solar, Wind etc.) ist ein effizienter CO2-freier Prozess, ebenso seine Rückumwandlung zu elektrischer Energie in Brennstoffzellen. WS beinhaltet die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) an der Kathode und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode. Ein zentrales Ziel im Themengebiet WS Zellen ist die Verringerung der für das Betreiben der beiden Reaktionen notwendigen Potentialdifferenz, d. h. die Entwicklung leistungsfähiger Katalysatoren für HER und OER. Auch wenn O2 aufgrund seines Vorkommens in der Atmosphäre für Brennstoffzellentechnologie keinen limitierenden Faktor darstellt, ist darum seine effiziente Erzeugung von direkter Bedeutung für die wirtschaftliche Konversion ökologisch nachhaltiger Energie in elektrische Leistung. Gute Katalysatoren für WS beruhen in der Regel auf Metallen der Pt-Gruppe, welches für die Produktion von H2 auf großem Maßstab keine ökonomisch gangbare Lösung darstellt. Aktuelle Untersuchungen beschäftigen sich daher mit der Entwicklung neuer Pt-freier Katalysatoren für WS. Oxide der Eisengruppe haben sich dabei als sehr gute Kandidaten für leistungsfähige OER Katalysatoren erwiesen, die allen Erfordernissen einer nachhaltigen WS Technologie genügen. Dieses vielversprechende Feld befindet sich noch im Anfangsstadium und über die Mechanismen der katalytischen Reaktionen auf diesen Oxiden ist bisher wenig bekannt. Neue Strategien zur Herstellung von Modellkatalysatoren, die eine Klärung dieser Reaktionsmechanismen ermöglichen, stellen daher einen wichtigen Schritt zu einer deutlichen Verbesserung der Energiekonversion dar und haben dementsprechend große ökonomische Bedeutung. EC-MEC zielt auf die Präparation von Oxidschichten der Metalle der Fe-Gruppe und ihrer Legierungen, die wohldefinierte strukturelle Eigenschaften aufweisen. Dies soll mittels elektrochemischer Prozesse bei Raumtemperatur geschehen. An den hergestellten Schichten soll der Zusammenhang zwischen den katalytischen Eigenschaften der Oxide und ihrer Struktur auf atomarer Skala geklärt werden, um so gezielt neue Oxidkatalysatoren für die OER in WS Zellen entwickeln zu können. Zur in operando-Untersuchung der Oxidstruktur und katalytischen Eigenschaften unter Reaktionsbedingungen werden modernste Röntgenbeugungsmethoden eingesetzt werden. Das Vorhaben ist ein Französisch-Deutsches Projekt von Partner EP (Ecole Polytechnique, Palaiseau, Frankreich) und Partner IEAP (Institut für Experimentelle and Angewandte Physik, Universität Kiel, Deutschland) unter Führung von EP. Komplementäre Dichtefunktionaltheorierechnungen werden über eine bereits existierende Kollaboration von EP mit der Gruppe von Jeffrey Greeley (Purdue University, USA) durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Philippe Allongue