NSF-DFG MISSION: Umfassende Operando-Analyse der Dynamik der Vorgänge an der Grenzfläche Elektrolyt-Festkörper zur Optimierung der elektrokatalytischen Konversion von CO2

• Antragsteller: Dr. See Wee Chee
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542011561

Die in jüngster Zeit wachsende Häufigkeit von Naturkatastrophen macht deutlich, dass wir unsere Energieversorgung dringend von fossilen Brennstoffen auf nachhaltige Energiequellen umstellen müssen. Die Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in wertvolle chemische Stoffe ist nicht nur eine Möglichkeit, deren Bedarf zu decken, sondern auch eine Methode, ein klimaschädliches Abfallprodukt zu recyceln. Um geeignete Elektrokatalysatoren zu entwickeln, die in der Praxis eingesetzt werden können, müssen wir die Struktur dieser Materialien unter Arbeitsbedingungen gründlich verstehen. Die Komplexität der technisch hergestellten Nanomaterialien stößt jedoch an die Grenzen unserer heute bestehenden Operando-Methoden. Daher müssen wir neue Werkzeuge entwickeln, die uns einen detaillierten Einblick geben, wie sich die Oberflächen dieser Materialien während der Reaktion entwickeln und verändern. Das Projekt CO2-EleDyn konzentriert sich auf die Erforschung und das Verständnis der komplexen Veränderungen, die an der Oberfläche von Elektrokatalysatoren aus intermetallischen Nanomaterialien (iNMs) während der Reaktion stattfinden, und deren Einfluss auf die Katalysatorleistung. iNMs sind Nanomaterialien, die aus zwei oder mehr chemischen Elementen bestehen, die sich in klar definierten Anordnungen befinden. Wir können die Eigenschaften eines iNM-Katalysators durch ein geschicktes Design dieser Anordnungen durchstimmbar anpassen; um dieses aber effektiv machen zu können, müssen wir zunächst verstehen, wie sich der Katalysator unter Arbeitsbedingungen umstrukturiert. Ein umfassendes Verständnis dieser komplexen Materialien erfordert jedoch eine erhebliche Erweiterung unserer Möglichkeiten zur Untersuchung der Arbeitsstruktur und des chemischen Zustands des Katalysators, und zwar sowohl auf kleinen als auch auf großen Längenskalen. Um zu verstehen, wie sich iNM-Elektrokatalysatoren während der CO2-Elektroreduktion umstrukturieren, bündeln wir das Fachwissen der Gruppen des Fritz-Haber-Instituts und der Northwestern University, für eine breit angelegte Studie, die die Charakterisierung der Katalysatoren auf atomarer Ebene an verschiedenen Stellen der Reaktion, die korrelierte Operando-Mikroskopie und Spektroskopie, die die Dynamik der Katalysatoren auf Nano- bis Meso-Ebene abdeckt, sowie Leistungsmessungen in hochmodernen Elektrolyseuren im Großmaßstab umfasst. Durch diese Studien wollen wir besser verstehen, wie sich verschiedene Kombinationen von iNMs und Oberflächenmodifikationen auf die Leistung von Katalysatoren auswirken. Diese Erkenntnisse werden uns helfen, bessere und effizientere Katalysatoren für eine verstärkte Umwandlung von CO2 zu entwickeln. Gleichzeitig werden unsere technischen Entwicklungen neuen Möglichkeiten eröffnen, Funktionsmaterialien während des Betriebs und in Echtzeit zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Großgeräte: Gas Analyser
• Gerätegruppe: 1520 Meßgeräte für Gase (O2, CO2)
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Beatriz Roldan Cuenya
• Kooperationspartner: Professor Vinayak Dravid, Ph.D.; Professor Edward Sargent, Ph.D.