Elektrokatalysatoren mit Ionischen Flüssigkeiten: Von der Surface Science zur Spektroelektrochemie

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Libuda
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322419553

Die einzigartigen Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten (ILs) haben die Entwicklung neuer Konzepte in der Katalyse inspiriert, darunter sogenannte Solid Catalysts with Ionic Liquid Layer (SCILLs). Hier wird die IL als Designer-Modifier eingesetzt, um die Selektivität zu erhöhen. Das in der heterogenen Katalyse sehr erfolgreiche Konzept wurde kürzlich auch auf die Elektrokatalyse übertragen, wobei aber der Mechanismus bislang unverstanden ist. Das vorliegende Projekt zielt auf ein detailliertes Verständnis der Funktionsweise IL-modifizierter Elektrokatalysatoren. Dazu koppeln wir oberflächenwissenschaftliche Experimente im Ultrahochvakuum (UHV) mit Spektroelektrochemie. Der Wissenstransfer zwischen Oberflächenchemie und Elektrochemie wird dabei sichergestellt, indem wir in beiden Umgebungen (i) identische Modellkatalysatoren verwenden, (ii) die gleichen Modellreaktionen untersuchen und (iii) eng verwandte experimentelle Methoden einsetzen. Unter UHV-Bedingungen identifizieren wir Oberflächen¬intermediate mittels Oberflächen-IR-Spektroskopie während wir die Reaktionsprodukte mittels temperaturprogrammierter Desorption/Reaktion in Kombination mit Molekularstrahlmethoden detektieren. Unter elektrochemischen Bedingungen erhalten wir äquivalente Informationen durch elektrochemische in-situ IR-Spektroskopie und durch differentielle elektrochemische Massenspektrometrie in Kombination mit Cyclo¬voltammetrie (begleitet durch zusätzliche experimentelle und theoretische Untersuchungen im Rahmen von Kooperationen). Wir nutzen drei Modellreaktionen mit zunehmender Komplexität: (1) die Oxidation von CO, (2) die Oxidation von Methanol und (3) die Oxidation/Reduktion von Acrylalkohol/Acrolein. Diese im UHV und elektrochemisch leicht untersuchbaren Modellreaktionen zeigen ausgeprägte Strukturabhängigkeiten, elektronische Effekte und Ensembleeffekte. Sie stellen damit ideale Testsysteme dar, um den Einfluss der ILs auf Mechanismen, Energetik und Mikrokinetik zu erforschen. Wir untersuchen diese Phänomene zunächst an Einkristallen (Pt, Pd) und gehen anschließend zu komplexen Modellkatalysatoren über (Pt/Pd-Nanopartikeln auf geordneten Oxidfilmen, Co3O4(111)/Ir(100). Die Modellsysteme werden im UHV mittels eines neu entwickelten UHV-Elektrochemie-Systems präpariert und direkt in die elektrochemische Umgebung transferiert. Hierdurch wird es möglich, in den oberflächenspektroskopischen und elektrochemischen Experimenten identische Modelloberflächen zu untersuchen. Wir deponieren ultrareine imidazoliumbasierte ILs aus der Gasphase und variieren deren Eigenschaften (Koordinationsstärke, Polarität, etc.) durch Substitution. Die strukturelle Vielfalt der im UHV präparierten Modellkatalysatoren erlaubt es dabei, detaillierte mechanistische Einblicke in die Wirkungsweise elektrochemischer SCILLs zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen