DFG-RSF: Dotiertes Graphen für elektrochemische Energiespeicherung und .-umwandlung: Einfluss der elektronischen Struktur auf die elektrokatalytische Aktivität in Sauerstoffredoxreaktionen

• Antragsteller: Professor Dr. Clemens Laubschat
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310366325

Elektrochemische Energiespeicherung ermöglicht Stromversorgung vom sub-W-Bereich bis zu einigen zehn MW. Elektrochemische Zellen, die chemische Energie direkt in Strom umwandeln, können GWh an Energie speichern und auf unterschiedlichen chemischen Systemen beruhen. Da molekularer Sauerstoff direkt in der Atmosphäre vorliegt und daher nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht, ist er eine sehr geeignete Komponente für elektrochemische Energiewandlung und Speichersysteme, so dass Sauerstoff Redox-Reaktionen von entscheidender Bedeutung für viele elektrochemische Apparate wie Brennstoffzellen oder Metall-Luft-Batterien sind. In solchen Systemen erfolgt an den Elektrodenoberflächen Elektronentransfer vom bzw. zum Sauerstoff. In den meisten Fällen sind Kohlenstoffelektroden das Material der Wahl, da sie leicht, gut leitfähig und preiswert sind. Die Elektrodenoberflächen bestehen aus graphenartigen Strukturen, wobei verschiedene Kohlenstoffmodifikationen jedoch einen unterschiedlichen Wirkungsgrad für Sauerstoffredoxreaktionen zeigen. Es wurde kürzlich gezeigt, dass Dotieren von Kohlenstoffen mit leichten Elementen wie N, B oder S die Kinetik des Elektronentransfers zum bzw. vom Sauerstoff merklich verbessert und zu einer mit Edelmetallen vergleichbaren elektrokatalytischen Aktivität führt Die zugrunde liegende Physik ist jedoch nicht verstanden. Viele Studien zu diesem Thema leiden an der hohen Komplexität realer Kohlenstoffelektroden, bei denen die Auswirkungen der elektronischen Struktur von Verunreinigungen und der Mikrostruktur kaum unterschieden werden können. Wir wollen epitaktisches Graphen als Modellsystem verwenden, um die Rolle der elektronischen Struktur und der Fremdatome in dotiertem Kohlenstoff beim heterogenen Elektronentransfer zum bzw. vom Sauerstoff zu erforschen. Wir beabsichtigen dabei, mit epitaktischem Graphen als reinem chemischen Modellsystem zu beginnen und daraus betriebsfähige elektrochemische Zellen mit transferiertem Graphen als Elektroden zu entwickeln. Dotierte Graphen Monoschichten werden dazu in situ durch chemische Dampfabscheidung auf Ni (111) und Co (0001) Oberflächen hergestellt. Die elektronischen Eigenschaften von N-, B- und S-Graphen werden mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und Dichtefuntionalrechnungen (DFT) untersucht. Chemisorption von Wasserstoff und Alkalimetallen erlaubt eine Anpassung der Fermienergie. Die Entwicklung der Systeme unter Sauerstoffeinfluss wird anschließend mit ARPES, XPS und NAP-XPS untersucht. Eine ähnliche Methodik kommt bei elektrochemischen Zellen zum Einsatz: Graphen wird auf metallischen Folien gezüchtet und dann auf feste Elektrolyten oder auf Si3N4-Gitter mit von der Rückseite her zugeführtem flüssigen Elektrolyt übertragen. Der Elektronentransfer zwischen Graphen und Sauerstoff sowie die Neubildung von sauerstoffhaltigen Spezies wird anschließend mit Photoemissionsspektroskopie und Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) verfolgt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Kooperationspartnerin: Dr. Lada V. Yashina