Größenselektierte Cluster als Katalysatoren für FCreaktionen

Die Untersuchung von elektrokatalytischen Prozessen auf größenselektierten Clustern ist ein neuartiger Ansatz, der ein großes Potential zur Aufklärung von Prozessen an der fest-flüssig Grenzfläche birgt. Dies ist sowohl für die Entwicklung von theoretischen Hilfsmitteln für die Quantenmechanische Beschreibung elektrochemischer Prozesse, als auch die systematische Entwicklung von verbesserten Elektrokatalysatoren, z.B. für Brennstoffzellen, von großer Bedeutung. Die Arbeitsgruppe von Prof. Heiz an der Technischen Universität München hat eine Methode zur Präparation von größenselektierten Partikeln mit einer Größe von weniger als 1nm mittels einer Laserverdampfungsquelle gekoppelt mit einem Quadrupol Massenspektrometer im Ultrahochvakuum erarbeitet, und ist weltweit führend auf diesem Gebiet. Dadurch können Untersuchungen chemischer Prozesse mit einer Präzision durchgeführt werden, die bis jetzt in der Chemie noch unerreicht war. Basierend auf den interessanten Ergebnissen für die Gasphasenkatalyse auf diesen Clustern, werden die viel versprechenden elektrokatalytischen Untersuchungen dieses Projektes aufgebaut. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist hauptsächlich das Verstehen der größenabhängigen elektrokatalytischen Eigenschaften von Metallpartikeln auf planaren Trägermaterialien. Die größenselektierten Cluster ermöglichen zum ersten Male auch in der Elektrochemie den Einfluss der Partikelgröße in einem Bereich zu erfassen, wo die elektronischen, und dadurch auch die elektrokatalytischen, Eigenschaften der Partikel sich nicht monoton mit der Größe verändern und sie sich nicht mehr mit den eigentlichen Metalleigenschaften vergleichen lassen. Im Stile meiner Doktorarbeit am Lawrence Berkeley National Lab werden elektrokatalytische Messungen an den größenselektierten Clustern mit Hauptaugenmerk auf die Reaktionen, welche in Polymerelektrolyt Membran Brennstoffzellen (PEMFC) stattfinden, durchgeführt. Diese sind im speziellen die Wasserstoffoxidation inklusive dem Einfluss von CO im Wasserstoff als Brennstoff, die Methanoloxidation sowie die Sauerstoffreduktion. Durch die gezielte Veränderung der Katalysatorgröße in einem Bereich unter 1nm, werden wichtige Erkenntnisse über die aktiven Zentren auf den Nanopartikeln erwartet. Diese Einblicke sind die Grundlage für jede Art von "materials by design" Vorgehensweise in der angewandten Katalyse und können mit Untersuchungen an technischen Katalysatoren verglichen werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt für die Entwicklung von maßgeschneiderten Katalysatoren sind theoretische ab-initio Berechnungen. In der Elektrokatalyse scheitert jedoch die Entwicklung von entsprechenden theoretischen Hilfsmitteln an den mangelhaften Vergleichsmöglichkeiten mit experimentellen Ergebnissen aufgrund der oft unzureichend definierten Versuchsbedingungen. Deswegen werden die geplanten Versuche mit den eindeutig definierten Clustern ein sehr wichtiger Schritt zur theoretischen Beschreibung der Vorgänge an fest-flüssig Phasengrenzen sein.