Optimierung von unlegierten Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen: Eine theoretische und experimentelle Studie

• Antragsteller: Professor Dr. Aliaksandr Bandarenka; Professor Dr.-Ing. Alessio Gagliardi
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 355784621

Heterogene Katalyse und insbesondere Elektrokatalyse gehören heutzutage zu den Lebensstandard bestimmenden Säulen, da Katalysatoren Schlüsselmaterialien der modernen Industrie sind. Fundamentales Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen zahlreicher katalytischer Eigenschaften ist daher von größter Wichtigkeit. Eine der grundlegendsten Herausforderungen ist die Entwicklung von aktiven und stabilen Materialien mit katalytischen Eigenschaften für die Schlüsselreaktionen in Brennstoffzellen. Ein Augenmerk liegt hier auf der elektrochemischen Reduktion des Sauerstoffes an der Kathode. Eine Steigerung der Aktivität aktueller Platinkatalysatoren in Polymer-Elektrolyt Brennstoffzellen um das Vier- bis Fünffache würde den Bedarf an teurerem Platin drastisch senken. Preislich würde sich das für den Katalysator benötigte Metall damit dem von modernen Abgaskatalysatoren für Verbrennungsmotoren angleichen (4-5 g anstatt 20 g). Unzählige jüngst beschriebene Katalysatoren gehen diese Herausforderung an. Eine der Hauptansätze ist die Erforschung von Legierungen von Platin und Übergangsmetallen. Tatsächlich ist es möglich dadurch die Aktivität um das Zehnfache zu steigern im Vergleich zum reinen Metall (Pt-Ni Systeme). Die Anwendung wird allerdings durch die mangelnde Stabilität begrenzt. Dieses Projekt nutzt jüngste experimentelle Entdeckungen und fundamentales Verständnis zur Steigerung der Aktivität von reinen Platinoberflächen für die elektrochemische Sauerstoffreduktion. Der Reaktionsumsatz kann dabei um einen Faktor von 3.5-4.5 ohne die Nutzung von Legierungen gesteigert werden. Der wichtigste Aspekt bei diesem Ansatz ist, dass es möglich ist die Aktivität von Platin durch die Kontrolle der atomaren Koordination nahe der aktiven Zentren zu kontrollieren. Ziel dieses Projektes ist die Erläuterung und Implementierung von dreidimensionalen, quasi-offenen Strukturen mit einer maximalen Dichte an optimalen aktiven Zentren, erhöhter Stabilität und gesteigertem lokalen Massentransport. Eine erfolgreiche Umsetzung des Projekts würde es nicht nur erlauben Wissenschaftlern und Ingenieuren eindeutig zu demonstrieren, wie man die Aktivität bestehender Materialien ohne zu legieren steigert. Es würde weiterhin eine komplett neue Methodologie etablieren zur Entwicklung von heterogenen Elektrokatalysatoren basierend auf einer Kombination von theoretischen Berechnungen verschiedener Ebenen und experimentellen Ansätzen mit sorgfältig ausgearbeiteten strukturell offenen, dreidimensionalen und nanostrukturierten Materialien anwendbar in der industriellen Elektrokatalyse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen