NSF-DFG MISSION: Aufklärung der Dynamik von Nanokristallbildung und -umwandlung durch multimodale In-situ-Elektronenmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Engel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542350250

Moderne Elektronenmikroskopie und fortgeschrittene Computersimulationen ermöglichen die Analyse und Vorhersage komplexer Nanostrukturen in situ und operando. Ein Schwerpunkt sind Materialgrenzflächen, an denen chemische Reaktionen und Phasenumwandlungen stattfinden. Nanokristalle (NKe), die von diesen Grenzflächen dominiert werden, versprechen eine höhere Effizienz und Leistung bei Anwendung in den Bereichen Medizin, Elektronik und Energie. Obwohl es zahlreiche reproduzierbare NK-Synthesemethoden gibt, wurden viele durch Versuch und Irrtum entwickelt. Der genaue Keimbildungsmechanismus und die Entwicklung der NK-Form sind nach wie vor unklar. Die Zersetzung von NKen gibt auch Aufschluss über Korrosion und Materialabbau. Die Untersuchung der NK-Bildung und -Zersetzung ist aufgrund des schnellen, aber sporadischen Keimbildungsprozesses und der begrenzten Daten von zweidimensionalen Grenzflächen im Vergleich zu dreidimensionalen Strukturen komplex. Die fortschrittliche Elektronenmikroskopie schließt einige Wissenslücken, aber die Kombination mit Computersimulationen bleibt für ein umfassendes Verständnis unerlässlich. Wir planen, multimodale und mehrdimensionale In-situ-Elektronenmikroskopie in Kombination mit Multiskalen-Computersimulationen einzusetzen, um atomare Prozesse und kinetische Pfade der NK-Bildung und -Umwandlung unter systemrealistischen und anwendungsrelevanten Bedingungen zu erforschen. Unser Vorschlag umfasst zwei spezifische Ziele: In Ziel 1 werden wir i) die Symmetriebrechung während der kinetisch kontrollierten Synthese von anisotropen Nicht-Edelmetall-NKen untersuchen und Reaktionszwischenprodukte analysieren; ii) eine elektrochemisch kontrollierte Reduktion durch Keimbildung in-situ initiieren und die Strukturentwicklung beobachten; iii) die kinetischen Pfade für das Wachstum von NKen ohne und mit Keimbildung per Multiskalensimulationen untersuchen. In Ziel 2 besteht unser Ansatz darin, i) dynamische Veränderungen in der Zusammensetzung, Form und kristallinen Phase von präzisionssynthetisierten NK-Elektrokatalysatoren mittels In-situ-Elektronenmikroskopie zu untersuchen und ii) Simulationen einzusetzen, um die strukturelle Dynamik und Deaktivierungsprozesse von NK-Katalysatoren zu verstehen. Unser Ziel ist es, atomare Einblicke in die kinetische Umstrukturierung einzelner NKe zu erhalten. Diese Erkenntnisse werden für die Entwicklung von NKen mit verbesserten Eigenschaften und Stabilität entscheidend sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xingchen Ye