Erforschung der Phasenstabilität in multinären intermetallischen Nanopartikeln und -schichten durch vergleichendes Sputtern in ionische Flüssigkeiten und auf feste Substrate sowie Analyse durch fortgeschrittene Transmissionselektronenmikroskopie und elektrochemische Messungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alfred Ludwig; Professorin Dr. Christina Scheu
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320295168

Dieses Projekt baut auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts "Exploring Multinary Nanoparticles by Combinatorial Sputtering into Ionic Liquids and Advanced Transmission Electron Microscopy" (DFG-Projekte LU1175/23-1 und SCHE 634/21-1) auf. Ziel ist es, das Wissen über multinäre Nanopartikel, die durch (Co-)Sputtern in ionische Flüssigkeiten synthetisiert wurden, im Vergleich zu dünnen Schichten, die auf festen Substraten mit der gleichen Sputterkammer und den gleichen Parametern gewachsen sind, zu erweitern. Besonderes Augenmerk wird auf intermetallische (Fe-Co-Ni)(Pt,Pd) Systeme in ihrer geordneten Gleichgewichts-Kristallstruktur im Vergleich zu ihrer nicht geordneten Struktur in fester Lösung mit der gleichen chemischen Zusammensetzung gelegt, da dies einzigartige Möglichkeiten bietet, den Einfluss von Ordnung/Unordnung auf die elektrochemische Leistung und Stabilität zu verstehen. Durch die Anwendung vielseitiger Sputtertechniken wie dem Hochleistungsimpuls-Magnetronsputtern könnten sich neue Möglichkeiten ergeben, um die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der Nanopartikeln zu beeinflussen. Das im Vorgängerprojekt verwendete Gleichstromsputtern war auf mischbare Elemente beschränkt. Wir wollen auch untersuchen, ob wir die gleiche Kristallstruktur und Zusammensetzung der Nanopartikel und dünnen Filme erhalten können, was mit dem Gleichstromsputtern nicht möglich war. Die Nanopartikel nehmen typischerweise die Gleichgewichtskristallstruktur und -zusammensetzung gemäß dem Phasendiagramm an. Der Vorteil einer vergleichbaren Struktur und Zusammensetzung von Nanopartikeln und dünnen Schichten ist immens, da das Screening über Materialbibliotheken bei dünnen Filmen einfacher ist. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Synthese von multinären intermetallischen (Fe-Co-Ni)(Pt,Pd) Nanopartikeln und dünnen Filmen mit hoher katalytischer Aktivität für die Sauerstoffreduktionsreaktion oder Wasserstoffentwicklungsreaktion sowie deren Stabilität bei elektrochemischer Belastung. Neben der Zusammensetzung sind vermutlich auch die Kristallstruktur (Mischkristall versus geordnete Phasen) und die Kristallinität selbst (amorph versus Nahordnung versus kristallin) durch die Verwendung des Hochleistungsimpuls-Magnetronsputterns sowie Tempern einstellbar. Die aktivsten Nanopartikel werden mit Hilfe aberrationskorrigierter, hochauflösender Rastertransmissionselektronenmikroskopie, einschließlich verschiedener hochauflösender Bildgebungsverfahren, Tomographie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie eingehend untersucht. Darüber hinaus werden die interessantesten Nanopartikel aus der ionischen Flüssigkeit extrahiert und an identischer Stelle mit der Rastertransmissionselektronenmikroskopie vor und nach mehreren Tausend zyklischen Voltammetrie-Messungen untersucht, um ihre (In-)Stabilität zu untersuchen und auf atomarer Ebene die Gründe für beispielsweise die Auflösung zu ermitteln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen