Einfluss der Katalysator-Träger-Wechselwirkung auf die Aktivität und Stabilität von Wasserspaltungs-Katalysatoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jan Philipp Hofmann, seit 7/2022; Professorin Dr. Ulrike Ingrid Kramm; Professor Dr. Peter Strasser
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424873219

Dieses Projekt untersucht die Ursachen und die Natur physiko-chemischer Wechselwirkungen (WW) zwischen einem Elektrokatalysator und einem Träger an elektrochemischen Fest-Flüssig-Grenzflächen. Im Fokus des Antrags stehen edelmetallfreie Katalysatoren für die Wasserstoff- (HER) und die Sauerstoffentwicklung (OER). In dem Projekt werden systematisch die WW von ausgewählten Katalysatoren (Kat) mit Trägern untersucht, die für photoelektrochemische Bauteile von Relevanz sind. Dies führt zu neuen Erkenntnissen und vertieftem fundamentalem Verständnis bezüglich des Einflusses der internen Kat|Träger-Grenzflächenstruktur auf die resultierende Aktivität und Stabilität.Um dies zu erreichen, werden mögliche elektronische und strukturelle WW für verschiedene Kat|Träger-Systeme analysiert. Z.B. wird über den Vergleich rein adsorptiv versus kovalent angebundener Aktivzentren untersucht, inwieweit die zusätzlichen Schritte der Oberflächen-funktionalisierung des Trägers und des Einbringens funktioneller Gruppen tatsächlich notwendig sind, um aktive und stabile Kat|Träger-Systeme zu erhalten.Katalysatoren mit molekularen MeN4-Zentren werden für die HER, Ni- und Fe-basierte Oxide und (Oxy-)Hydroxide für die OER untersucht. Basierend auf einer Standardcharakterisierung werden ausgewählte Systeme eingehender analysiert.Die anspruchsvollere Charakterisierung erfolgt mit Techniken wie in-situ und operando Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und Mössbauerspektroskopie. Die Komplexität der Kat|Träger-Grenzfläche wird schrittweise durch das Einbringen verschiedener Gase oder Elektrolyte auf die Oberfläche mittels (Umgebungsdruck-) Photoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. So sind Schlussfolgerungen möglich, inwieweit durch die Änderung der Umgebung auch die elektronische und strukturelle WW des Kat|Träger-Systems sich ändern.Während die Untersuchungen auf der Kat|Träger-WW an Modellelektroden fokussieren, wird die Verflechtung im realen Bauteil auch angesprochen: Die vielversprechendsten Katalysatorsysteme werden dazu auf den realen Halbleiter- (HL-) Strukturen bzw. HL mit Passivierungsschichten untersucht. D.h. im Gegensatz zu den Modellsystemen mit nur einer Fest-Fest-Grenzfläche, enthalten diese HL-Strukturen sämtliche Grenzflächenkontakte und berücksichtigen somit auch die WW miteinander.Die Ergebnisse ermöglichen nützliche Schlussfolgerungen für zukünftige Arbeiten und ein wissensbasiertes Design von solchen funktionalen Komposit¬strukturen, um diese im Rahmen des Nachfolgeprojekts in das Bauteil zu integrieren und hinsichtlich der Aktivität zu optimieren. Während das aktuelle Projekt auf grundlegende Fragestellungen (aber mit relevanten Trägermaterialien) fokussiert, werden im Anschlussprojekt die Kat.-Optimierung und neue katalytische Systeme adressiert.Die erzielten Ergebnisse können auch für andere katalytische Systeme oder Strukturen wichtig sein, bei denen es zu einer elektronischen WW durch die Kopplung einzelner Einheiten kommt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Bernhard Kaiser
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Wolfram Jaegermann, bis 7/2022