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Projekt
Korrelation von aktiven Katalysator Zuständen und Sauerstoffentwicklung in in-situ environmental Transmissionselektronenmikroskopie (ETEM).
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544637349
Ein umfassendes Verständnis der Struktur von Elektrokatalysator-Wasser-Grenzflächen auf atomarer Ebene ist unerlässlich, um Limitierungen der elektrochemischen Wasserspaltung durch die träge Sauerstoffentwicklung zu überwinden. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Korrelation von aktiven Zuständen und Sauerstoffentwicklungsreaktivität (OER) in atomar aufgelösten in-situ ETEM-Experimenten an Spinell-Nanopartikeln AIIBIIIO4 mit variabler Zusammensetzung und definierten kristallinen Oberflächenfacetten. Der wichtigste neue Schritt ist die Umsetzung einer hochempfindlichen lokalen Massenspektrometrie-Sonde in der Nähe der TEM-Probe zur Messung der Reaktionsprodukte von nanoskaligen Elektroden, um die Beobachtung der Grenzflächendynamik mit der Reaktivität der Sauerstoffentwicklung zu korrelieren. Dies ist notwendig, um die Relevanz von in-situ Beobachtungen auf atomarer Ebene für anwendungsnahe Bedingungen zu begründen. Wir wählen für diese Studie die bimetallischen NiCo2O4- und CoMn2O4-Verbindungen sowie eine Dotierungsserie Ni-dotierter NixCo3-xO4-Nanoplättchen im Bereich 0 <=x<=1 aus, da ihre Aktivität durch Dotierung stark variiert werden kann und sie mit gut definierter Größe, Morphologie und Oberflächenausrichtung synthetisiert werden können. Bimetallische Spinelle in der Regel eine höhere OER-Aktivität auf als ihre monometallischen Gegenstücke (Fe3O4, Mn3O4 und Co3O4). Nanoplättchen stellen elektronentransparente Elektroden dar, sodass auf eine TEM-Lamellenpräparation durch Ionenätzen mit möglichen Veränderungen der Katalysatoroberfläche verzichtet werden kann. Der neue Aufbau für die lokale Massenspektroskopie-Sonde wird durch die Modifizierung eines bestehenden Gas- und Flüssigkeitszell-TEM-Probenhalters entwickelt: Eine Kapillare mit Mikrometer-Öffnung wird mit dem Gasauslass des Halters verbunden und elektrisch mit der Gegenelektrode kommerzieller MEMS-Chips kontaktiert, sodass die Reaktionsprodukte von OER in Wasserdampf unter Vorspannung mit einem hochempfindlichen Quadrupol-Massenspektrometer gemessen werden können. Der Aufbau wird getestet, indem Nanoplättchen mit geringer und hoher OER-Aktivität als Modellsystem verglichen wird. Der O2-Umsatz wird durch Messungen der OER-Aktivität identischer Nanopartikel unter elektrochemischen Standardbedingungen kalibriert. Dies wird es ermöglichen, Korrelationen zwischen dem aktiven Zustand von verschieden Ni- dotierten Katalysatoren, sowie deren Aktivität und Stabilität zu ermitteln. In einer zweiten Projektphase streben wir den Nachweis von anderen Reaktionsprodukten als O2 an, um elektronenstrahlinduzierte Ionenbildung, katalytische Nebenreaktionen und Zwischenprodukte zu untersuchen. Insgesamt wird unser Projekt dazu beitragen, Mechanismen für die außerordentlich hohe OER in Ni-dotierten Co3O4 jenseits der Limitierung der Skalenbeziehungen zu identifizieren und gleichzeitig ein umfassendes Verständnis der chemischen Umgebung von Proben in in-situ ETEM-Experimenten zu entwickeln.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
Großgeräte
Quadrupole Mass Spectrometer
