Direkte instrumentelle Identifizierung aktiver elektrokatalytischer Zentren mittels Rastertunnelmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Aliaksandr Bandarenka
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320825100

Ein vertieftes Verständnis komplexer natürlicher Objekte ist ohne die Entwicklung neuer informativer, aber gleichzeitig bezahlbarer Werkzeuge für die Forschung, neue Methodologien und Herangehensweisen nicht erzielbar. Originelle und leistungsstarke Ansätze für Oberflächensondierung und modellierung werden höchstwahrscheinlich tragende Säulen bleiben, die weitere Fortschritte in der Materialwissenschaft kontrollieren. In diesem Vorhaben schlagen wir einen Ansatz für die experimentelle Identifizierung sogenannter aktiver Stellen an der Oberfläche heterogener Elektrokatalysatoren basierend auf Rastersondenverfahren vor. Das Vorhaben macht sich die grundlegende Idee zunutze, dass unter Reaktionsbedingungen die Parameter, die die Tunnelbarriere über einem katalytisch aktivem Zentrum in Kontakt mit einem flüssigem Elektrolyten definieren, unterschiedlich im Vergleich zu inaktiven Bereichen der Oberfläche sein werden, und insbesondere auch eine zeitliche Variabilität aufweisen (z.B. aufgrund ankommender Reaktanden oder abtransportierter Reaktionsprodukte). Daher sollte sich der zwischen Spitze und Probe unter Potentialkontrolle gemessene Tunnelstrom auch mit der Zeit ändern, und damit Einblick in die lokalen Prozesse ermöglichen. Durch Vergleich des Tunnelstroms als Funktion der Zeit und des Abstandes zwischen Spitze und Oberfläche über unterschiedlichen Oberflächenpositionen wäre es möglich, die genaue Position und Eigenschaften katalytisch aktiver Zentren an heterogenen Oberflächen zu erhellen. Unsere vorläufigen Untersuchungen unterstützen diese grundlegende Idee. Niedrig indizierte und hoch indizierte Einkristallelektroden mit quasiperiodischen Oberflächenstrukturen und einer sehr niedrigen Beweglichkeit der Oberflächenatome, nanostrukturierte Systeme als auch katalytische Reaktionen von Bedeutung für die zukünftige nachhaltige Energieversorgung sollen in dem Projekt als Modellobjekte bzw. Reaktionen eingesetzt werden. Quantenchemische Berechnungen sollen verwendet werden, um die physikalischen Grundlagen der Methode klar heraus zu arbeiten, die quantitative Interpretation der experimentellen Daten in Bezug auf die lokale katalytische Aktivität zu unterstützen, und die Methode iterativ zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Federico Calle-Vallejo, Ph.D.