EMOCAT – Elektrifizierte Modellkatalyse: Ein wissensbasierter Zugang zu neuen oxid-stabilisierten Elektrokatalysatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Libuda
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453560721

Die Elektrokatalyse ist eine Schlüsseltechnologie zur Nutzung erneuerbarer Energien, nicht nur im Hinblick auf Speichertechnologien, sondern auch für neue chemische Produktionsverfahren unter Nutzung preiswerter elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen.Im vorliegenden Projekt adressieren wir drei zentrale Herausforderungen im Zusammenhang mit elektrokatalytischen Materialien für neuen Speicher- und Produktionsverfahren: (1) Die effiziente Nutzung aktiver Edelmetalle, (2) die Stabilität der Materialien und (3) die Selektivität der Reaktion. Als neues Materialkonzept nutzen wir sogenannte oxidstabilisierte Elektrokatalysatoren, d.h. Materialien, in denen das aktive Edelmetall durch eine zusätzliche Oxidkomponente stabilisiert wird. Die Oxidkomponente kann dazu beitragen, das Edelmetall zu verankern, die Metallbeladung zu reduzieren und die Selektivität durch Trägerwechselwirkungen zu modifizieren.Um das Potential oxidstabilisierter Elektrokatalysatoren zu evaluieren, folgen wir einer wissensbasierten Strategie auf der Basis eines oberflächenwissenschaftlichen Ansatzes. Wir präparieren komplexe Modellelektroden im Ultrahochvakuum (UHV) und charakterisieren diese im Hinblick auf ihre geometrische und elektronische Struktur, das Adsorptionsverhalten und die Reaktivität. Anschließend transferieren wir diese Modellsysteme in die elektrochemische Umgebung, ohne dabei die Oberflächenstruktur zu verändern, und untersuchen die Stabilität, Aktivität und Selektivität unter Potentialkontrolle. Als Modellreaktion steht die selektive Oxidation von Alkoholen im Fokus, eine im Hinblick auf Aktivität und Selektivität sehr anspruchsvolle Reaktionsklasse mit großer Bedeutung für die Anwendung.Insbesondere adressieren wir drei zentrale Herausforderungen: (1) Wir untersuchen die elementaren Mechanismen, das Potential und die Grenzen der Stabilisierung von Edelmetallen auf Oxidträgern. (2) Wir betrachten die fundamentalen Mechanismen, die zur Erhöhung der Aktivität von oxidgetragenen Elektrokatalysatoren beitragen. (3) Schließlich untersuchen wir den Mechanismus der Selektivitätskontrolle durch den Oxidträger mit dem Ziel, diese Effekte zu nutzen, um die Selektivität der Modellreaktionen zu steuern.Das vorliegende Projekt zeichnet sich dadurch aus, dass es ein hochmodernes Portfolio experimenteller Methoden aus den Bereichen der Oberflächenwissenschaften und der Elektrochemie kombiniert. Zudem werden neue Methoden zum Transfer zwischen UHV und elektrochemischen Messumgebungen eingesetzt. Darüber hinaus profitiert das Projekt von einem Netzwerk von Partnergruppen, die das Projekt durch einzigartige experimentelle Methoden und theoretische Untersuchungen unterstützen. Wir erwarten, dass dieser grundlagenbasierte Ansatz es gestattet, das zukünftige Potential des neuen Materialkonzeptes im Hinblick auf Edelmetalleffizienz, Stabilität und Selektivität grundlegend zur verstehen und zu evaluieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen