NSF-DFG Echem: Aufklärung des Beitrages der Oberflächenstrukturbeitrags in Form von Flächen, Stufen und Kanten bei der Elektrokatalyse von Sauerstoffentwicklungs- und -reduktionsreaktionen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Corinna Harms; Professor Dr. Michael Wark
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460244535

Die Elektrolyse als eine Schlüsseltechnologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff nutzt den Überschuss an erneuerbaren Energien, während Brennstoffzellen für die effiziente Umwandlung von gespeicherter chemischer in elektrische Energie entscheidend sind. Beide Technologien erfordern die Sauerstoff-Elektrokatalyse als Gegenreaktion, nämlich die Sauerstoff-Bildungs-Reaktion (OER) in der Elektrolyse und die Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR) in Brennstoffzellen. Leider verursachen deren träge Kinetiken hohe Überpotentiale in den Sauerstoffhalbzellen, die die Wirkungsgrade begrenzen und somit die Entwicklung verbesserter Elektrokatalysatoren erfordern.Das übergreifende Ziel dieses Projekts ist es, leistungsfähigere und langlebigere Nicht-Edelmetall-Katalysatoren für die OER zu schaffen. Unsere zentrale Hypothese ist, dass die Kontrolle der Oberflächenterminierung und der Facettenexposition eines Katalysators die Koordinations- und Bindungsumgebungen an der Oberfläche verändern kann, wodurch sich die Reaktant-Katalysator-Wechselwirkung und die elektrokatalytische OER/ORR-Aktivität verändern. Daher ist der Zusammenhang zwischen Synthese, Oberflächenmorphologie und elektrochemischer Leistung entscheidend für das Design eines Katalysators. Das vorgeschlagene Arbeitsprogramm verfolgt folgende Ziele: (i) Synthese von Elektrokatalysatoren mit definierten lokalen aktiven Zentren, (ii) Synthese von Elektrokatalysatoren mit definierter Morphologie (Poren, Facetten, Stufen und Kanten) und (iii) Strukturelle Charakterisierung und Bestimmung der Aktivität der entwickelten Elektrokatalysatoren. Die Steinsalzstruktur ermöglicht die Synthese von formkontrollierten NiO-Partikeln mit (111) oder (100) Oberflächen, was die Aufklärung ihrer Rolle bei der Sauerstoff-Elektrokatalyse ermöglicht. Darüber hinaus bieten diese Materialien ideale Plattformen für die systematische Untersuchung der Auswirkungen des Maßschneidens der Oberflächen mit Stufen und Kanten und der Herstellung von Multimetalloxiden mit Elementen mit ähnlichen Ionenradien (z.B. Co, Mn, Fe). Die Richards-Gruppe wird nanoskalige facettierte Mischmetalloxid-Elektrokatalysatoren durch Kationenaustausch mit Fe, Mn und Co ausgehend von NiO entwickeln. Darüber hinaus werden Multimetalloxiden (z.B. Nickelferrit) auf der Grundlage einer für NiO(111) entwickelten modifizierten Aerogel-Methode synthetisiert werden. Die Wark-Gruppe wird sowohl elektrochemische Abscheidung als auch (mikrowellenunterstützte) hydro- und solvothermische Verfahren anwenden, um hochporöse (mit geordneter Mesoporosität), facettierte Mischmetalloxide mit ähnlicher Stöchiometrie zu bilden. Die Elektrokatalysatoren werden strukturell charakterisiert, indem z.B. operando-Techniken wie AFM oder Röntgen-Photoelektronenspektroskopie unter leichtem Gasdruck (E-XPS) verwendet werden. Die Evaluierung der ORR und OER unter Betriebsbedingungen erfolgt durch Tests in GDE-Halbzellen und in MEAs in Prüfständen der Gruppe Harms.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ryan Richards