Elektrochemische Katalysator-Träger Wechselwirkungen Oxid-geträgerter Katalysatoren für die Sauerstoffevolutionsreaktions (OER) und ihr Effekt auf Katalysatoraktivität und -korrosionsstabilität

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Serhiy Cherevko; Professorin Dr. Beatriz Roldan Cuenya; Professor Dr. Peter Strasser
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413740759

Geträgerte Elektrokatalysatoren sind wichtige Elektrodenbestandteile galvanischer und elektrolytischen Zellen. Die Aktivität und Stabilität solcher Katalysator/Trägermaterial-Paare bestimmen dabei die Leistungsparameter der Zellen, wie ihre Gesamtleistung, ihre Zelleffizienz oder ihre Lebensdauer. Aufgrund von direkten chemischen Wechselwirkung zwischen Katalysator und Trägermaterial an der Grenzfläche, ist eine gegenseitige Beeinflussung der chemischen Reaktivität möglich. Dieses Phänomen ist in der Gasphasen-/Festkörper-Katalyse wohlbekannt und wird dort als Katalysator-Trägermaterial-Wechselwirkung („catalyst-support interactions, CSI“) bezeichnet. Das Konzept der CSI an elektrochemischen Fest-Flüssig Grenzflächen, jedoch, ist noch weitgehend unerforscht, aber von Interesse, da es sowohl die katalytische Aktivität als auch die elektrochemische Stabilität der katalytisch aktiven Phase zu steigern vermag. Dieses Projekt widmet sich den fundamentalen wissenschaftlichen Aspekten der elektrochemischen CSIs an Fest-Flüssig Grenzflächen und untersucht das Auftreten von CSIs in Modellkatalysatoren und die Anwendung von CSIs in realen Elektrokatalysator/Trägermaterial Paaren. Die wesentliche Zielsetzung ist es, die chemische Natur, den mechanistischen Ursprung und den messbaren Einfluss der CSIs auf die Reaktivität und Stabilität in Oxid-geträgerten Elektrokatalysatoren für die Sauerstofffevolution (OER) auf Iridium Basis zu erforschen und zu quantifizieren. Wir gehen von der Arbeitshypothese aus, dass die CSI derart zugeschnitten und beeinflusst werden kann, dass Korrosion und Abbau des Katalysators während der Elektrolyse vermindert oder verhindert werden kann. Unter Einsatz von wohldefinierten Katalysator/Trägermaterial Modellanordnungen (Trägerfilme mit kontrollierter Katalysatorbedeckung und Katalysatorfilme mit kontrollierter Trägerbedeckung) werden wir den Einfluss einer Reihe von verschiedenen Oxidträgermaterialien auf die elektronische und geometrische Struktur, die Redoxchemie und die katalytische OER Aktivität Iridium basierter Oxidkatalysatoren untersuchen. Hierbei liegt der Fokus auf der Stabilität des Katalysator/Trägermaterial-Paares. Um die Ziele zu erreichen werden ex-situ und operando Charakterisierungstechniken, wie XAS, XPS, ICP-MS, DEMS, an den Modellen eingesetzt. Kenntnisse der elektrochemischen CSI werden schliesslich auf nanostrukturierte Ir basierte Katalysator/Trägermaterial Paare übertragen, die unter katalytischen OER Bedingungen untersucht werden. Das Projektteam besteht aus drei Gruppen mit viel fachlicher Expertise in Elektrokatalyse, Korrosionswissenschaft und Oberflächen-Nanokatalyse kombiniert mit operando-Spektroskopie. Ein wichtiges Ergebnis dieses Projekts wird ein vertieftes Verständnis des Einflusses der CSI in der OER sein. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse können diese Effekte auch für zukünftige rationale Designs von anderen Elektrokatalysatoren für die Wasserspaltung erfolgreich eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen