NSF-DFG Echem: Design nanostrukturierter edelmetallhaltiger Chalkogenid Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffentwicklungsreaktion

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Arkady Krasheninnikov; Professorin Dr. Mehtap Özaslan
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460425755

Schichtartige edelmetallhaltige Chalkogenide mit Strukturformeln von MX2 bis MX (M: Pt oder Pd; X: Se oder Te) sind als aktive Katalysatoren für die elektrochemische Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) seit Kurzem entdeckt worden. Die Details der katalytischen Prozesse an diesen Materialien sind weit davon entfernt, verstanden zu sein. Dies kann unter anderem auf starke Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten und Größen-Quantisierungseffekte zurückzuführen sein, welche signifikante Veränderungen der elektronischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Anzahl der Schichten verursachen. Gleichzeitig können diese physikalischen Effekte aber auch neue Wege zur Anpassung der katalytischen Eigenschaften dieser Materialien eröffnen. Das kontrollierte Design von Stufenkanten mit niedrigkoordinierten Atomen kann die Anzahl hochaktiver katalytischer Plätze im Material erhöhen. In diesem Projekt werden wir aktive Phasen von edelmetallhaltigen Chalkogeniden identifizieren und untersuchen. Die Nanostrukturierung (Anzahl der Schichten und Dichte an Stufenkanten) wird genutzt, um die Aktivität für die HER deutlich zu erhöhen. Weiterhin beabsichtigen wir, die strukturellen Ähnlichkeiten einer Vielzahl von Verbindungen aus der Klasse der Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDs) einzusetzen, um mögliche synergetische Effekte in TMD-Phasenmischungen (Legierungen) zur Steigerung der HER-Aktivität zu erforschen. Um diese Untersuchungen durchzuführen haben wir ein multidisziplinäres wissenschaftliches Team zusammengestellt. Planare Modellsysteme werden mittels van-der-Waals-Epitaxie-Methoden in der Gruppe von Prof. Batzill (University of South Florida, USA) hergestellt. Die atomare Struktur und die elektronischen Eigenschaften werden dort mittels Rastersondenmikroskopie und Photoemissionsspektroskopie im Detail untersucht. Die elektrochemischen Eigenschaften dieser sehr definierten Materialien werden anschließend in der Gruppe von Prof. Özaslan (TU Braunschweig) erforscht. Die experimentell erhaltenen mikrokinetischen Ergebnisse sollen dann mittels ab initio Simulationen in der Gruppe von Dr. Krasheninnikov (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) rationalisiert werden. Die theoretischen Vorhersagen für Legierungen und Dotierungen werden zudem die Planung der Experimente unterstützen und dabei helfen vielversprechende Materialkombinationen zu identifizieren. Ziel dieses Projektes soll es sein neue Elektrokatalysatoren für die HER zu identifizieren und herauszufinden, wie sich die elektrochemischen Eigenschaften mittels Nanostrukturierung steuern lassen. Diese Studien werden nicht nur grundlegende Kenntnisse über die katalytische Wirkung von neuartigen niedrig-dimensionalen Materialien liefern, sondern auch neue Wege für das praktische Design neuartiger Elektrokatalysatoren aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Matthias Batzill