Synthese und Elektrokatalyse von ternären formkontrollierten, oktaedrischen nanoskaligen Pt Legierungskatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Strasser
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461853506

Die electrokatalytische Reduktion von molekularem Sauerstoff (ORR) ist ein wichtiger Elektrodenprozess im Zusammenhang mit elektrochemischer Energieumwandlung in Metal-Luft Batterien oder Wasserstoffbrennstoffzellen. Selbst auf Platinoberflächen ist die ORR ein eher langsamer Grenzflächenprozess. Es bedarf neuer platinarmer ORR Katalysatorkonzepte, die verbesserte katalytische Reaktivität und Stabilität aufweisen. Einkristallstudien von verschiedenen Pt Legierungen erlaubten die Vorhersage, dass formkontrollierte oktaedrische binäre PtNi Nanopartikelkatalysatoren eine deutlich verbesserte ORR Reaktivität aufweisen sollten. Studien in dieser Richtung bisher fokussierten sich aber fast ausschließlich auf relative kleine und dazu Pt-reiche Nanooktaeder mit einer Kantenlänge von ungefähr 5-9 nm, welche nur etwa ein Zehntel der vorhergesagten Reaktivität in Brennstoffzellen zeigten.Dieses Projekt widmet sich dieser wissenschaftlich-chemischen Herausforderung, indem es neue adaptive, flexible, nass-chemische Synthesewege zu strikt formkontrollierten, oktaedrischen, Pt-basierten Nanopartikeln erforschen wird, wobei der Fokus auf einer deutlichen Erweiterung des zugänglichen Partikelgrößenbereichs nach oben bis über 30 nm liegen wird. Dadurch, so die Arbeitshypothese, können die Nanooktaeder ihre vorhergesagte Reaktivität auch in dicken Elektrodenschichten voll entfalten.Das Gesamtziel dieses Projekts ist die Aufklärung bisher unzugänglicher Synthese-Struktur-Größe-Reaktivitäts Beziehungen von binären und ternären formkontrolliert oktaedrischen Pt Legierungsnanokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion, ORR. Teilziele umfassen die Entwicklung neuer durchstimmbarer, nass-chemischer Synthesewege zu größenkontrollierten und kompositionskontrollierten Oktaederpartikeln, speziell mit Größen ab 30 nm. Dieser Größenbereich wurde als besonders aktiv für die ORR, auch in dickeren Elektrodenschichten vorhergesagt. Das Projekt wird sich auf binäre PtNi, aber vor allem auf neue ternäre PtNi-M (M= Mo und andere Übergangsmetalle) Nanokatalysatoren konzentrieren. Der Synthese folgen verschiedene physikochemische Charakterisierungen zur Syntheseverifizierung, mit Hilfe derer Synthese-Struktur-Aktivitätsbeziehungen abgeleitet werden. Ausgewählte Partikel werden zum Zwecke der katalytischen Testung auf poröse kohlenstoffbasierte Träger mit unterschiedlicher Porengröße aufgebracht, wodurch der Effekt der Partikellokalisation untersuchen lässt. Die geträgerten Oktaedrischen Nanokatalysatoren werden anschließend in Form von dünnen ca. 200 nm Katalysatorschichten, als auch in Form von gesprühten realistischen dickeren, ca. 10 Mikrometer Elektrodenschichten in Membran Elektroden Einheiten von Brennstoffzellen getestet und verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen