ERA-Chemistry: Novel Pt-poor catalysts for the electrocatalytic O2 reduction based on modified, nanostructured metal oxides

• Antragsteller: Professor Dr. Rolf Jürgen Behm
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234323554

Die Reduktion von molekularem Sauerstoff (oxygen reduction reaction - ORR) ist wegen ihrer vielfältigen Anwendungen, insbesondere in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-FC), aber auch in Sauerstoff-Sensoren oder zukünftig auch in Luft-Metall Batterien, eine der wichtigsten elektrokatalytischen Reaktionen. Bis dato beruhen die besten und am häufigsten benutzten Katalysatoren für die ORR auf Pt-basierten Materialien, hauptsächlich werden Kohlenstoff-geträgerte Pt oder Pt-Legierungs-Nanopartikel Katalysatoren verwendet. Der hohe Preis für diese Materialien ist einer der hauptsächlichen Hinderungsgründe für eine ökonomisch wettbewerbsfähige Einführung von PEM Brennstoffzellen. Im vorliegend Projekt wollen wir neuartige Pt-arme oder Pt-freie Katalysatoren für die ORR auf der Basis von Oxiden, Oxynitriden, Oxycarbiden und/oder Oxycarbonitriden entwickeln, die in Hinblick auf ihre Aktivität, Selektivität für die Reduktion zu H2O und Korrosionsstabilität unter Brennstoffzellen-relevanten Bedingungen optimiert sind. Dies soll in einem systematischen Ansatz geschehen, über das zielgerichtete Maßschneidern der strukturellen Eigenschaften wie Nanostruktur und Porosität und der chemischen Zusammensetzung von Katalysator und Katalysatorträger einerseits und die systematische Evaluierung der damit korrelierten elektrokatalytischen Eigenschaften andererseits. Dieses Ziel soll durch iterative Verknüpfung zweier Arbeitspakete erreicht werden: Im ersten Paket (AG Hüsing) soll ein Syntheseansatz zur Herstellung mesoporöser Oxidmaterialien mit hohen spezifischen Oberflächen und variabler Struktur und Zusammensetzung kombiniert werden mit einem sehr kontrollierten Verfahren zur Dotierung dieser Materialien mit Kohlenstoff und Stickstoff, sowie dem Einsatz eines neuartigen Kompositmaterials mit einem stabilen und hochporösen Kohlenstoffgerüst, das kürzlich von der Antragstellerin entwickelt wurde. Das zweite Paket (AG Behm) beinhaltet detaillierte elektrokatalytische Untersuchungen unter bis zu Brennstoffzellen-relevanten Bedingungen, mit einer Reihe ausgefeilter, zum Teil in dieser Gruppe entwickelter elektrochemischer, mikroskopischer und (in-situ) spektroskopischer Methoden, die einem iterativen Ansatz mit den Synthesearbeiten verknüpft werden sollen. Insgesamt sollen diese Messungen detaillierte Informationen über die Korrelation zwischen Materialeigenschaften und (elektro-)katalytischen Eigenschaften sowie über den Reaktionsmechanismus ergeben, und damit auch eine Grundlage für eine weitere zielgerichtete Optimierung dieser Katalyatormaterialien schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Beteiligte Person: Professorin Dr. Nicola Hüsing