Stabilisierung von RuO2 Elektrokatalysatoren durch Oberflächenmodifikation in der Wasserspaltung unter dynamischer und stationären Reaktionsbedingungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Franziska Heß; Professor Dr. Herbert Over
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493681475

Für die Umwandlung und Speicherung erneuerbarer Energien spielt Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger eine entscheidende Rolle, der dann in Niedertemperatur-Brennstoffzellen wieder effizient verstromt werden kann. Das Hauptproblem bei der Spaltung von Wasser stellt die intermit¬tierende Bereitstellung von elektrischer Energie durch Photovoltaik und Windparks dar, die es erforderlich machen, Wasserelektrolyseure zu entwickeln, die auch bei großen Lastwechseln noch ökonomisch und vor allem stabil arbeiten. Das erfordert eine elektrolytische Wasserspaltung in saurer Umgebung, bei der wegen der geringen Auslastung durch intermittierende Energiequellen auch höhere Überspannung möglich sein müssen, ohne dabei die Langzeitstabilität des Anodenmaterials zu verlieren. Bei höheren Überspannungen tritt jedoch Korrosion an der Anode auf, die langfristig zum Verlust der katalytisch aktiven Komponente führt. In diesem Gemeinschaftsprojekt von Prof. Hess (Berlin) und Prof. Over (Gießen) zeigen wir einen innovativen Weg auf, um einen aktiven Elektrokatalysator in der elektrochemischen Wasserspaltung, nämlich RuO2, zu stabilisieren, ohne dabei dessen außerordentlich hohe Aktivität in der Sauerstoffentwicklung (OER) zu verringern. Hierzu soll die Methode der selektiven und lokalen Passivierung von RuO2 durch OER-stabile Oxide wie TiO2 und IrO2 angewendet werden. Um mikroskopische Informationen über mögliche Schwachstellen hinsichtlich der anodischen Korrosion unter dynamischen und stationären Bedingungen zu erhalten, werden wir dedizierte einkristalline Modellelektroden auf der Basis von RuO2(110)-Inseln mit einer wohldefinierten quadratischen Morphologie einsetzen und die anodische Korrosion und ihre lokale Passivierung hinsichtlich struktureller und morphologischer Veränderungen auf atomarer Skala sowohl im Experiment als auch mit theoretischen Methoden verfolgen. Im Bereich Theorie wird ein ab initio-basiertes Modell auf atomarer Skala für den Mechanismus der Korrosion auf Terrassen und Stufenkanten aufgestellt. Dieses werden wir mit kinetischen Monte Carlo Methoden koppeln, um die Plätze zu ermitteln, die besonders empfindlich gegenüber Korrosion sind und die strukturelle Entwicklung der Oberfläche und den Verlust von Ru unter stationären Bedingungen und beim Schalten vorherzusagen. Im Experiment werden die Modellelektroden durch eine Kombination aus bildgebenden (Rastertunnelmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie) und quantitativen operando Methoden (Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Massenspektrometrie) sowie Oberflächenröntgenbeugung untersucht. Durch diese korrespondierenden experimentellen und theoretischen Einblicke wird ein umfassendes Verständnis der Korrosion unter dynamische Reaktionsbedingungen erlangt, das eine systematische Verbesserung der Stabilität des Materials gegen Korrosion erlaubt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung