Elektronische Metall-Träger-Wechselwirkungen in Elektrolyten

• Antragstellerin: Dr. Yaroslava Lykhach, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570311530

Dieses Projekt verfolgt einen neuartigen Ansatz zur Steuerung elektrokatalytischer Reaktionen durch intrinsische elektrischer Felder, die durch elektronische Metall-Träger-Wechselwirkungen (EMSI) in Systemen aus Edelmetall-Nanopartikeln auf reduzierbaren Oxiden erzeugt werden. Diese EMSI-induzierten Felder bieten eine stabile, strukturell definierte und steuerbare Plattform zur gezielten Anpassung der lokalen elektrochemischen Umgebung – mit präziser Kontrolle über Aktivität, Selektivität und Stabilität in wässrigen Elektrolyten. Im Gegensatz zu klassischen Methoden, die auf solvatisierte Elektrolyte zur Steuerung des elektrischen Feldes in der elektrischen Doppelschicht (EDL) setzen, welche oft dynamisch und daher nur schwer präzise zu kontrollieren sind, stellt EMSI einen grundlegend anderen, schnittstellengetriebenen Mechanismus dar. Durch gezielte Gestaltung der Metall/Oxid-Grenzfläche lässt sich EMSI als vorhersagbarer und kontrollierbarer Designparameter für die Entwicklung von Elektrokatalysatoren nutzen. Unser Ansatz basiert auf Modellsystemen mit wohldefinierten Edelmetall-Nanopartikeln (Pt, Pd, Rh, Ru) auf geordneten Co₃O₄(111)-Dünnfilmen, die auf Ir(100)-Substraten präpariert werden. Diese Systeme werden mittels moderner oberflächenwissenschaftlicher Methoden charakterisiert – darunter Synchrotron-Photoelektronenspektroskopie (SRPES) mit weicher Röntgenstrahlung und Rastersondenmikroskopie (STM/AFM) unter Ultrahochvakuum. Zur Untersuchung elektrischer Felder an der Grenzfläche unter elektrochemischen Bedingungen kommen SRPES mit harter Röntgenstrahlung, elektrochemische IR-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (EC-IRRAS) und differentielle elektrochemische Massenspektrometrie (DEMS) zum Einsatz. Die Ergebnisse werden durch Dichtefunktionaltheorie- (DFT) und Molekulardynamik-Rechnungen (MD) gestützt. Das Projekt gliedert sich in drei Arbeitspakete (AP 1–3). In AP 1 wird eine umfassende Bibliothek von Metall/Oxid-Modellsystemen mit gezielt einstellbarer EMSI durch Kontrolle von Partikelgröße, -form, -zusammensetzung sowie Oxidations- und chemischem Zustand der Oxide aufgebaut. In AP 2 werden diese Systeme genutzt, um das elektrische Feldprofil innerhalb der EDL zu moduliert. Ziel ist es, EMSI als steuerbaren Mechanismus zur Gestaltung der Potentialhyperfläche an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche mit nanoskaliger Auflösung und hoher Stabilität zu etablieren. In AP 3 wird der Einfluss dieser EMSI-induzierten Felder auf Aktivität und Selektivität elektrokatalytischer Reaktionen untersucht. Wir analysieren, wie sich gezielt designte Grenzflächen zur steuerbaren Beeinflussung von Reaktionswegen nutzen lassen. Durch die Verknüpfung von Feldverteilungen, EMSI-Eigenschaften und Katalyseverhalten soll ein neuer Ansatz zur rationalen Gestaltung funktionaler elektrochemischer Grenzflächen entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen, Spanien
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Jörg Libuda; Dr. David Starr; Professor Dr. Dirk Zahn
• Kooperationspartner: Dr. Albert Bruix Fusté; Dr. Tomasz Sobol