Nanopartikel-Brennstoffzellen-Katalysatoren
Die Brennstoffzellentechnologie ist für künftige Energieumwandlungs- und Energiespeicheranwendungen von großer Bedeutung. Ein Haupthindernis, das derzeit die Leistung der technologisch wichtigen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) einschränkt, ist jedoch die träge Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) an den Kathoden der Brennstoffzellen.
Aufgrund ihrer katalytisch hochaktiven (111)-Oberflächen gelten bimetallische Pt-Ni-Oktaeder als hervorragende Katalysatoren für die ORR. Die Elementverteilung der Pt-Legierungskatalysator-Nanopartikel ist von entscheidender Bedeutung für deren Aktivität und Stabilität und erfordert eine Struktur- und Zusammensetzungsanalyse auf atomarer Ebene.
Mit Hilfe der aberrationskorrigierten hochauflösenden analytischen Elektronenmikroskopie haben wir aufgedeckt, dass die Entmischung der Zusammensetzung in facettierten Pt-Legierungsnanopartikeln, z. B. Pt-reiche Rahmen und Ni-reiche Facetten, zu einer komplexen Korrosion der Nanopartikel führt und ein Hauptgrund für die Degradation der Katalysatoren während der ORR ist. Am wichtigsten ist es daher, die Mechanismen der Bildung und des Abbaus zu verstehen und zu kontrollieren, um aktivere und stabilere neuartige Nanopartikelkatalysatoren zu entwickeln.
Mit Hilfe des 'PICO'-Mikroskops am Ernst-Ruska-Centrum haben wir einen elementspezifischen anisotropen Wachstumsmechanismus von bimetallischen Nano-Oktaedern aufgedeckt, bei dem die Zusammensetzungsanisotropie mit der geometrischen Anisotropie gekoppelt ist und das schnelle Wachstum der Pt-reichen Hexapoden entlang der <100>-Richtung der verzögerten Ablagerung der Ni-reichen Phase an den konkaven {111}-Stellen vorausgeht. Dieses elementspezifische Wachstum ist die Ursache für die Entmischung der Zusammensetzung und der Hauptgrund für den zuvor berichteten Abbau und Aktivitätsverlust von Katalysatoren aus oktaedrischen Pt-Legierungs-Nanopartikeln.
Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Optimierung und Stabilisierung der Mikrostruktur der Katalysator-Nanopartikel durch geeignete Methoden wie Oberflächendotierung oder zusätzliche Oberflächenbehandlungen, indem wir analytische Elektronenmikroskopie mit Nanopartikelsynthese und Elektrochemie kombinieren. Wir haben zum Beispiel gezeigt, dass Rh-dotierte oktaedrische Pt-Ni-Nanopartikel hohe ORR-Aktivitäten in Kombination mit verbesserter Leistung und Formstabilität im Vergleich zu bimetallischen oktaedrischen Pt-Ni-Partikeln aufweisen.
Die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) und die energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) zeigen, dass die Migration von Pt-Oberflächenatomen der Hauptgrund für den oktaedrischen Formverlust von Pt-Ni-Nanopartikeln ist. Durch den Einsatz geringer Mengen von Rh konnten wir die Migrationsrate von Platinatomen unterdrücken und folglich den oktaedrischen Formverlust von Pt-Ni-Nanopartikeln unterdrücken.
Weitere Einzelheiten finden Sie in den Veröffentlichungen:
Göhl, D.; Garg, A.; Paciok, P.; Mayrhofer, K. J. J.; Heggen, M.; Shao-Horn, Y.; Dunin-Borkowski, R. E.; Román-Leshkov, Y.; Ledendecker, M. Engineering Stable Electrocatalysts by Synergistic Stabilization between Carbide Cores and Pt Shells. Nature Mater. 2020, 19 (3), 287–291. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0555-5.
Dionigi, F.; Weber, C. C.; Primbs, M.; Gocyla, M.; Bonastre, A. M.; Spöri, C.; Schmies, H.; Hornberger, E.; Kühl, S.; Drnec, J.; Heggen, M.; Sharman, J.; Dunin-Borkowski, R. E.; Strasser, P. Controlling Near-Surface Ni Composition in Octahedral PtNi(Mo) Nanoparticles by Mo Doping for a Highly Active Oxygen Reduction Reaction Catalyst. Nano Lett.2019, 19 (10), 6876–6885. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02116.
Glüsen, A.; Dionigi, F.; Paciok, P.; Heggen, M.; Müller, M.; Gan, L.; Strasser, P.; Dunin-Borkowski, R. E.; Stolten, D. Dealloyed PtNi-Core–Shell Nanocatalysts Enable Significant Lowering of Pt Electrode Content in Direct Methanol Fuel Cells. ACS Catal. 2019, 9 (5), 3764–3772. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04883
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Polani, S.; MacArthur, K. E.; Klingenhof, M.; Wang, X.; Paciok, P.; Pan, L.; Feng, Q.; Kormányos, A.; Cherevko, S.; Heggen, M.; Strasser, P. Size and Composition Dependence of Oxygen Reduction Reaction Catalytic Activities of Mo-Doped PtNi/C Octahedral Nanocrystals. ACS Catal. 2021, 11 (18), 11407–11415. https://doi.org/10.1021/acscatal.1c01761
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