Neue Kathodenkatalysatoren für PEM-Brennstoffzellen durch Aufklärung von Beziehungen zwischen Struktur und katalytischem Verhalten

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Eine nachhaltige Verbesserung von Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktion gilt als Meilenstein auf dem Weg zur Kommerzialisierung von Niedertemperatur- Brennstoffzellen. Besondere Bedeutung hat neben der Steigerung der Aktivität auch die Langzeitstabilität der Katalysatoren unter anwendungsrelevanten Bedingungen. Ein Verständnis der Prozesse, die zu einer Degradierung und damit zum Aktivitätsverlust der Kathodenkatalysatoren führen, ist daher unabdingbar. Diese Prozesse können z.B. seien: Leaching von Legierungskatalysatoren, Partikelwachstum und Oxidation der Katalysatoren.Das Vorhaben verfolgt das Ziel, auf der Grundlage möglichst betriebsnah gewonnener Information über Veränderungen von Struktur und elektronischem Zustand der aktiven Elemente im Laufe der Nutzung verbesserte Sauerstoffreduktionskatalysatoren für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen zu entwickeln. Als Hauptmethode zur strukturellen Untersuchung dient die Röntgenabsorptionsspektroskopie, wobei zur Erhebung der Daten eine neuartige operando-Umgebung aufgebaut wird, die es gestattet, XAFS-Spektren von Kathoden - oder Anodenkatalysatoren einer arbeitenden Einzelzelle getrennt voneinander mit Fluoreszenzdetektion zu messen. Unterstützend werden XAFS (in kontrollierter Atmosphäre), die Photoelektronenspektroskopie (XPS, auch unter Variation der Anregungsenergie, UPS), die Ionenstreuspektroskopie, temperaturprogrammierte Oxidation und Reduktion sowie Chemisorptionsmethoden eingesetzt. Die Untersuchungen konzentrieren sich zunächst auf bekannte Legierungskatalysatoren, Pt-Me/C (für diesen Antrag: Me = Cr, Co, Ni, prinzipiell sind weitere Übergangsmetalle möglich). Es sollen hier Korrelationen zwischen Struktur, elektrokatalytischer Aktivität und Alterungsverhalten erarbeitet werden. Auf Grundlage dieser Korrelationen sollen neue Strategien gegen die Desaktivierung umgesetzt werden, wobei vor allem neuartige Kern-Schale-Katalysatoren entwickelt werden sollen, die eine im Vergleich zu den bekannten Pt- und Pt-Legierungs-Katalysatoren erhöhte Aktivität und Stabilität versprechen.