Nanotexturierte Kern-Schale karbid-abgeleitete Kohlenstoff-Partikel zur elektrochemischen Energiespeicherung und Elektrokatalyse (COSH-CDC)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bastian Etzold; Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374564898

Das Projekt beschäftigt sich mit der Synthese von Kern/Schale Hybrid-Materialien für elektrochemische Anwendungen. Hierbei kommt ein von beiden Antragstellern vor kurzem entwickeltes, zweistufiges Verfahren zum Einsatz, welches Metallkarbide als Ausgangsmaterial einsetzt. Je nach Syntheseweg besteht das Hybridmaterial aus einem Metalloxidkern und einer Schale aus porösem Kohlenstoff oder aus einem Kern und einer Schale, beide aus porösem Kohlenstoff, mit stark unterschiedlicher Porenstruktur und Kristallinität. Die kontrollierte, partielle Umsetzung des Karbids mit Chlor in der ersten Synthesestufe ist hierbei essentiell und definiert die spätere Kern/Schale-Struktur. Eine homogene Umsetzung aller Partikel wird durch in situ Erzeugung des Chlors über Zersetzung des Präkursors NiCl2 erreicht, welcher homogen und in definierter Menge dem Pulver zugemischt werden kann. Die zweite Synthesestufe ist entweder dargestellt durch Kalzinierung des residualen Karbidkerns (d.h. es wird ein Metalloxidkern mit einer verbleibenden Kohlenstoff Schale erzeugt), oder der Karbidkern wird bei einer anderen Synthesetemperatur in Kohlenstoff umgesetzt (womit eine hierarchische Kern/Schale-Kohlenstoffstruktur erzielt wird). Die Wahl der Syntheseparameter erlaubt dabei ein hohes Maß an Kontrolle über die Porenstruktur des Kohlenstoffes sowie der Kristallstruktur des Metalloxidkerns.Während in den gemeinsamen Vorarbeiten erfolgreich beide Arten an Kern/Schale-Hybridmaterialien hergestellt werden konnten, sind noch grundlegende Fragen zur Synthese, zur Übertragbarkeit dieser auf weitere Karbide und der Möglichkeiten, die sich aus der Nutzung dieser neuen Materialien ergeben, offen. In diesem Projekt soll aus diesem Grund der Syntheseweg detailliert für die Ausgangskarbide TiC, VC, NbC und Mo2C variiert und Struktur/Eigenschaft-Beziehungen etabliert werden. Hierfür werden die erhaltenen Kern/Schale Materialien in ihrer Eignung für elektrochemische Energiespeicher und Elektrokatalysatoren untersucht werden. Für elektrochemische Energiespeicher werden wässrige und organische Elektrolyte verwendet, um sowohl oberflächennahe Redox-Reaktionen als auch die Ioneninterkalation (Lithium) zu untersuchen. Die neuen Materialien könnten hier die vielversprechende Energiespeicherkapazität von Titanoxid, Vanadiumoxid, Niobiumoxid und Molybdänoxid (Kern) durch die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoff (nanoporöse Schale) zugänglich zu machen, ohne dass Leitadditivzusätze notwendig sind. Zur Elektrokatalyse werden hierarchisch strukturierte Kern/Schale Kohlenstoffe als Träger für Platin verwendet. Mesoporöse und graphitische Schalen können hierbei den Elektronen- und Stofftransport verbessern, während der Kern eine hohe Oberfläche zum Dispergieren des Pt zur Verfügung stellt. Dies wird für die Kathoden- (oxidation reduction reaction) und Anodenreaktionen (hydrogen oxidation reaction; methanol oxidation reaction) der Niedertemperaturbrennstoffzelle untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen