Einzelatomdekoration von 1D-Nanostrukturen aus semimetallischem Titandioxid: eine konduktive Elektrode für elektrokatalytische Wasserstoffproduktion

• Antragsteller: Dr.-Ing. Seyedsina Hejazi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521961225

Die Produktion von Wasserstoff (H2) ist die vielversprechendste Zukunftsform zur Erzeugung erneuerbarer sauberer Energie. Aktuell basiert die industrielle H2-Produktion auf der Reformierung von Erdgas, was eine hohe Menge an nicht-erneuerbarer Energie verbraucht und gleichzeitig das Treibhausgas Kohlendioxid erzeugt. Die elektrochemische Wasserspaltung ist ein vielversprechender Ansatz für die nachhaltige und umweltfreundliche H2-Produktion. Daher ist die Entwicklung effizienter und wirtschaftlicher Technologien für die elektrochemische Wasserspaltung ein grundlegendes Ziel für Forscher weltweit. Um eine hohe energetische Effizienz bei der Wasserspaltung zu erreichen, ist ein Katalysator erforderlich, welcher die Überspannung minimiert, die zum Antrieb der H2-Evolutionsreaktion (HER) notwendig ist. Platin ist der bekannteste Katalysator für die HER und benötigt lediglich sehr kleine Überspannungen. Die Knappheit und die hohen Kosten von Pt begrenzen jedoch einen flächendeckenden technologischen Einsatz. Durch das Design neuer Katalysatormaterialien für die HER wollen Forscher ihr Verständnis für Oberflächenstrukturen und -eigenschaften erweitern, welche die Aktivität und Stabilität der HER bestimmen. Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, eine neuartige und hoch definierte Plattform für die elektrokatalytische Wasserstofferzeugung unter Verwendung von Einzel-Atom (EA) dekorierten Semimetallische Titandioxid-basierten Nanokavitäten (STN) als günstige und hocheffiziente Elektroden zur HER mit gesteigerter Aktivität und Langzeitstabilität zu schaffen. Die wichtigste Neuerung des vorgeschlagenen Ansatzes ist die Kombination von defektbehafteten Titanoxid-basierten semimetallischen Nanostrukturen mit der fortschrittlichen Einzel-Atom-Dekorationsstrategie. Hierbei wird eine Plattform geschaffen, die als HER-Elektrode in der grünen H2-Produktionsindustrie eingesetzt werden kann. Es ist zu erwarten, dass der synergistische Effekt der drei goldenen Merkmale, d. h. i) gerichteter Ladungstransfer in einer eindimensionalen, rückseitig kontaktierten (1D) Struktur, ii) Einzel-Atom-Dekoration und iii) oberflächenexponierte Ti3+-Zentren in einer EA-STN-Anordnung, zu einersignifikant gesteigerten HER-Aktivität führen wird. Als Proof of Concept soll im letzten Arbeitspaket des Projekts die optimierte HER-Elektrode in einen kommerziellen Polymerelektrolytmembran (PEM)-Elektrolyseur implantiert werden, wodurch die Kompetivität der Langzeitaktivität und Stabilität der Elektrode unter Standard- und Vor-Ort-Messbedingungen dokumentiert werden kann.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeberin: Professorin Shiva Mohajernia