NSF-DFG MISSION: Operando Untersuchungen von quasi-epitaktischem Wachstum und Elektrokatalyse an flüssigen Galliumelektroden mittels Oberflächenröntgenstreung

• Antragsteller: Professor Dr. Olaf Magnussen
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541739330

Flüssige Metalle erwiesen sich in den letzten Jahren zunehmend von Interesse für Anwendungen in Materialsynthese und Katalyse, da sie anorganische, technologisch interessante Spezies lösen können und oft eine Tendenz aufweisen, diese nahe ihrer Oberfläche anzureichern. Diese Eigenschaften ermöglichen gutes Kristallwachstum sowie katalytische Oberflächenreaktionen der Stoffe, die im flüssigen Metall gelöst vorliegen. Im vorgeschlagenen Projekt werden die Arbeitsgruppen in Michigan und Kiel ihre gemeinsame Expertise auf diesem Gebiet einsetzen, um Elektroden aus flüssigem Gallium (Ga) in wässrigen alkalischen Lösungen mittels in situ/operando Oberflächenröntgenbeugungsmethoden zu untersuchen. Diese Methoden ermöglichen einzigartige Einblicke in die Struktur von Flüssigkeit-Flüssigkeit Phasengrenzen auf atomarer Skala, die wir nutzen werden, um die Rolle der Grenzflächenstruktur im elektrochemischen Wachstum von Metallen und in elektrokatalytischen Prozessen zu klären. Erstens werden wir die elektrochemische Abscheidung von Pb, Bi und Pd an flüssigem Ga untersuchen. Experimente der Gruppe in Michigan zeigen in diesen Systemen die Bildung flacher Kristalle der abgeschiedenen Metalle (Pb, Bi) beziehungsweise intermetallischer Verbindungen (PdGa5), die eine definierte Orientierung senkrecht zur Oberfläche aufweisen. Diese Morphologie legt ein quasi-epitaktisches Wachstum nahe, dass durch ultradünne zweidimensionale Precursor-Schichten kontrolliert wird, die sich an der Grenzfläche in den Anfangsstadien des Wachstums bilden. Die atomistischen Details und Mechanismen dieses Prozesses werden wir durch operando Röntgenreflektivität und Röntgenbeugung unter streifendem Einfall aufklären. Zweitens werden wir die Bildung und Reaktivität Ga-basierter Elektrokatalysatoren untersuchen, die durch die Abscheidung dieser Metalle präpariert werden. Die Wechselwirkung der Grenzflächenstruktur und der katalytischen Eigenschaften dieser Flüssigmetallkatalysatoren werden wir am Beispiel der Wasserstoffentwicklung an Pd/Ga und der elektrochemischen CO2 Reduktion an Bi/Ga bestimmen. Als wichtige Voraussetzung für diese Untersuchungen werden wir zudem die Grenzflächenstruktur von flüssigem Ga in dem metallfreien wässrigen Elektrolyten als Funktion von Elektrodenpotential und pH untersuchen, wobei der Fokus auf der Anwesenheit und Struktur von Ga Oberflächenoxiden liegen wird. Zudem werden wir Ga Dünnschichtelektroden für verbesserte operando und elektrokatalytische Messungen entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Mitverantwortlich(e): Privatdozentin Dr. Bridget Murphy
• Kooperationspartner: Professor Dr. Stephen Maldonado; Dr. Ben Ocko