Mechanismen der elektrochemischen Oxidation, Umstrukturierung und Auflösung von Platin und anderen Edelmetallen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Serhiy Cherevko; Professorin Dr. Franziska Heß; Professor Dr. Olaf Magnussen
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563512805

Das Projekt zielt auf ein besseres Verständnis der elektrochemischen Oxidation und der damit zusammenhängenden Auflösung von Platin und verwandter Edelmetalle ab, um so Ansätze für die Eindämmung dieser Prozesse zu entwickeln. Dieses Thema ist von erheblichem grundlegendem Interesse wie auch von hoher technischer Relevanz für die Verringerung der Degradation von Pt Katalysatoren in technischen elektrochemischen Anwendungen wie Brennstoffzellen. In unseren Vorarbeiten haben wir dafür eine Forschungsstrategie auf Basis von Hochenergie-Oberflächenröntgenstreuung, online Massenspektrometrie und Dichtefunktionaltheorie entwickelt und diese auf Untersuchungen von Pt(111), Pt(100) und Pt(110) Elektroden angewendet. Diese Arbeiten lieferten Einblicke in die Beziehungen zwischen der atomaren Struktur des ultradünnen Oberflächenoxids, dem Verhalten der Pt Auflösung und der Umstrukturierung der Pt Oberfläche auf Nanometer Maßstab und deckten deutliche Einflüsse der Pt Oberflächenorientierung auf. Es existieren allerdings noch wichtige Fragen hinsichtlich dieser komplexen Grenzflächenprozesse, die wir mittels der entwickelten Methoden und Ansätze sowie komplementärer ab initio Simulationen angehen wollen. Speziell werden wir folgende Themen untersuchen: (1) Wir werden die ersten Stadien von Pt Oxidation und Auflösung genauer klären, da diese von besonderer Bedeutung für Anwendungen sind. Unsere Vorarbeiten zeigen wichtige, noch unverstandene Unterschiede in der Kinetik der oxidativen Bildung adsorbierter Sauerstoffspezies und der Kinetik der Extraktion von Pt Atomen aus der Oberfläche. Die Ursachen dieses Verhaltens werden wir durch schnelle zeitaufgelöste Messungen sowie Simulationen aufklären. (2) Wir werden uns mit der Rolle von Oberflächendefekten, insbesondere Stufen, beschäftigen und dazu deren Einfluss auf das Auflösungsverhalten und die Struktur des Oberflächenoxids nahe Stufen bestimmen. (3) Wir werden weiterhin die Mechanismen und das Wechselspiel von Oxidreduktion, kathodischer Auflösung und irreversibler Umstrukturierung der Pt Oberfläche erforschen. (4) Mit der gleichen Methodik wie in 1-3 werden wir bestimmen, wie Oxidation und Auflösung durch die Elektrolytzusammensetzung (pH, Anionenspezies) und die Anwesenheit organischer und anorganischer Oberflächenmodifizierer beeinflusst werden. Ziel dieser Forschungsarbeiten ist es, eine wissensbasierte Grundlage für das kontrollierte Maßschneidern der Grenzflächen von Pt Elektrokatalysatoren zu schaffen. (5) Abschließend werden wir durch Studien der Oxidation und Auflösung von Au(111), Pd(111) und Ir(111) untersuchen, ob sich die an Pt gewonnenen Einsichten auf andere Edelmetalle übertragen lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Kanada, Spanien
• Kooperationspartner: Professor Federico Calle-Vallejo, Ph.D.; Dr. Jakub Drnec; Professor Dr. David Harrington; Professor Dr. Enrique Herrero Rodríguez