Entwicklung und Anwendung einer flexiblen Synthese ungeschützter kolloidaler Pt Na-nopartikel als präparative Plattform für gezielte Degradationsstudien in der Elektrokatalyse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bastian Etzold, seit 12/2018
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 354106573

Für die direkte Nutzungen von H2 als Energieträger, was eines der möglichen Szenarien für die Energiewende darstellt, sind Brennstoffzellen eine Schlüsseltechnologie. Für eine potentielle Anwendbarkeit ist die Optimierung der Katalysatoraktivität und Stabilität von entscheidender Bedeutung. Während die Thematik Aktivität in der Vergangenheit bereits intensiv untersucht wurde und geeignete Systeme entwickelt wurden, sind die Zusammenhänge zwischen den Katalysatoreigenschaften und der Stabilität noch weitestgehend ungeklärt. Vorrangiges Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer präparativen Plattform, mit deren Hilfe der Einfluss der wichtigsten Katalysatoreigenschaften (Partikelgröße, Beladung, Träger) auf die Performance und damit auch die Stabilität systematisch untersuchbar wird. Für State-of-the-Art Brennstoffzellekatalysatoren (kohlenstoffgeträgerte Pt Nanopartikel) ist diese Herausforderung mittels sogenannter ungeschützter Pt Nanopartikel erfüllbar. Derartige Partikel werden als Kolloide in basischem Ethylenglykol synthetisiert und können nach präparativen Folgeschritten auf jede Art von Träger aufgebracht werden. Dadurch sind Träger und Partikelbeladung unabhängig voneinander einstellbar. Was die Synthese jedoch bis jetzt jedoch entscheidend limitiert, ist die geringe Einflussnahmemöglichkeit auf die Partikelgröße. Mittels rein thermischer Reaktionsführung ist keine zufriedenstellende Größensteuerung möglich. Neuste Ergebnisse zeigen, dass ungeschützte Partikel auch photochemisch darstellbar sind. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll dieses bis jetzt unerforschte Potential zur Synthese derartiger Partikel untersucht werden, mit dem Ziel eine Partikelgrößensteuerung zu etablieren. Dadurch wird die Grundlage geschaffen, zukünftig die katalytisch relevanten Materialparameter (Partikelgröße, Beladung, Träger) unabhängig voneinander variieren und somit systematisch untersuchen zu können.Für Brennstoffzellen wurden bereits verschiedene Degradationsmechanismen identifiziert. Es ist jedoch noch unbekannt, inwieweit diese von den Katalysatoreigenschaften abhängen. Zur Bearbeitung dieser Fragestellung wird im zweiten Teil des Vorhabens die zuvor entwickelte Synthese zur Darstellung von Modellkatalysatoren auf Kohlenstofffilm TEM Grids genutzt. Die Katalysatoren werden Reaktionsbedingungen, die in Brennstoffzellen herrschen, ausgesetzt und Änderung mittels STEM (scanning transmission electron microscopy) erfasst. Ziel ist es mithilfe von STEM eine automatisierte und schnelle Methode zur Ermittlung von Statistiken zu entwickeln. Im Gegensatz zu den bereits etablierten IL-TEM (identical location transmission electron microscopy) Studien bietet sich dadurch die Möglichkeit Katalysatorveränderung nicht nur lokal zu erfassen. Dadurch sollte es grundsätzlich möglich werden, zukünftig nicht nur qualitative sondern auch quantitative Aussagen über Degradationsmechanismen treffen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragsteller: Professor Dr. Marcus Bäumer, von 9/2018 bis 11/2018; Dr. Sebastian Kunz, bis 8/2018