Neue Pt-arme Katalysatoren für die elektrokat. O2-Reduktion

Die Sauerstoffreduktion (oxygen reduction reaction, ORR) ist eine der wichtigsten Reaktionen in der Elektrokatalyse und findet nicht nur Einsatz in Polymerelektrolyt- (PEM, polymer-electrolyte membrane) Brennstoffzellen und Sauerstoffsensoren, sondern spielt auch zunehmend in der Entwicklung von Metall-Luft Batterien eine Rolle. Bisher üblicherweise eingesetzte Katalysatoren für die ORR basieren auf Edelmetallen, wie z.B. Pd- oder Pt-Legierungs-Nanopartikel auf oder in einer Kohlenstoffmatrix. Der hohe Preis dieser Materialien steht einer breiten Einführung der PEM Brennstoffzelle in den Massenmarkt aber heute noch entgegen. Der Hauptfokus des Projekts liegt auf der Herstellung neuartiger, Pt-armer und Pt-freier Katalysatoren auf der Basis von Oxycarbonitriden der frühen Übergangsmetalle für die ORR, optimiert auf die Aktivität, Selektivität für die Wasserbildung und die Korrosionsstabilität unter Reaktionsbedingungen, die für Brennstoffzellen relevant sind. In einem systematischen Ansatz werden in Bezug auf Nanostruktur, Porosität und chemischer Zusammensetzung maßgeschneiderte Katalysatoren bzw. Katalysatorträger hergestellt und deren strukturelle/ chemische Eigenschaften mit der elektro- katalytischen Aktivität korreliert. Dazu werden neue Sol-Gel- und templat-basierte Synthesekonzepte für mesoporöse Oxycarbonitride des Titans bzw. Tantals mit hohen spezifischen Oberflächen entwickelt, die eine in-situ Dotierung mit Stickstoff und Kohlenstoff ermöglichen, gleichzeitig aber durch den Einsatz von strukturdirigierenden Agenzien eine Kontrolle der Morphologie erlauben. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit der Katalysatoren wird üblicherweise Kohlenstoff (als Pulver) zugemischt. In diesem Projekt wird erstmals ein neuentwickeltes monolithisches Kohlenstoffnetzwerk mit einer multimodalen Porenradienverteilung mit der Precursorlösung für die Oxycarbonitride infiltriert werden um ein hochporöses, leitfähiges Komposit zu bilden. Erst Vorarbeiten haben hier sehr vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Die elektrokatalytische Aktivität wird an der Universität Ulm mit einer breiten Palette an elektrochemischen und (in-situ) spektroskopischen Methoden untersucht, wodurch detaillierte Korrelationen der Materialeigenschaften und der katalytischer Effizienz möglich sind und zusätzlich mechanistische Informationen gewonnen werden. Dies wird die Basis für die weitere ergebnisorientierte Verbesserung der Katalysatormaterialien sein.

Die Reduktion von molekularem Sauerstoff (oxygen reduction reaction ORR) ist eine der wichtigsten elektrokatalytischen Reaktionen, die in vielfältigen Anwendungen, insbesondere in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), aber auch in Sauerstoff-Sensoren oder zukünftig auch in Luft-Metall Batterien eine wichtige Rolle spielt. Bis dato beruhen die besten und am häufigsten benutzten Katalysatoren für die ORR auf Pt-basierten Materialien, hauptsächlich auf Kohlenstoff-geträgerten Pt- oder Pt-Legierungs Nanopartikeln. Der hohe Preis für diese Materialien ist eine der hauptsächlichen Hinderungsgründe für eine ökonomisch wettbewerbsfähige Einführung von PEM Brennstoffzellen.Im vorliegend Projekt sollten nun neuartige Pt-arme oder Pt-freie Katalysatoren für die ORR auf der Basis von Oxiden, Oxynitriden, Oxycarbiden und/oder Oxycarbonitriden entwickelt werden, die in Hinblick auf ihre Aktivität, Selektivität für die Reduktion zu H2O und Korrosionsstabilität unter Brennstoffzellen-relevanten Bedingungen optimiert sind. Dies sollte in einem systematischen Ansatz geschehen, über das wohlüberlegte und gezielte Maßschneidern der strukturellen Eigenschaften wie Nanostruktur und Porosität und der chemischen Zusammensetzung von Katalysator und Katalysatorträger einerseits und die systematische Evaluierung ihrer Korrelation mit den elektrokatalytischen Eigenschaften andererseits. Das Projekt war in zwei Arbeitspakete unterteilt: Im ersten Paket (AG Hüsing, Universität Salzburg) wurde ein Syntheseansatz zur Herstellung mesoporöser Oxidmaterialien mit hohen spezifischen Oberflächen und variabler Struktur und Zusammensetzung kombiniert mit einem sehr kontrollierten Verfahren zur Dotierung dieser Materialien mit Kohlenstoff und Stickstoff. Zudem gelang es Titan- und Tantal (Oxy)Nitride auf sphärischen Kohlenstoffpartikeln abzuscheiden und so ein neuartiges elektrokatalytisch aktives Kompositmaterial zugänglich zu machen. Das zweite Paket (AG Behm, Universität Ulm) beinhaltete die detaillierte elektrokatalytische Untersuchungen unter bis zu Brennstoffzellen-relevanten Bedingungen, mit einer Reihe von z.T. sehr aufwändigen elektrochemischen, mikroskopischen und (in-situ) spektroskopischen Methoden, die in einem iterativen und stark gekoppelten Ablauf mit den Synthesearbeiten verknüpft wurden.Insgesamt haben die Untersuchungen in diesem Projekt sehr detaillierte Informationen über die Korrelation zwischen Materialeigenschaften und (elektro-)katalytischen Eigenschaften sowie über den Reaktionsmechanismus auf molekularer Skala ergeben, und damit auch eine Grundlage für eine weitere zielgerichtete Optimierung dieser platinfreien und platinarmen Katalysatormaterialien geschaffen.