Kern-Schale-Katalysatoren für die Elektrokatalyse

Abstract

Die kinetische Hemmung der ORR an der Kathode einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMBZ) senkt die Wirtschaftlichkeit der PEMBZ signifikant. Als mögliche Lösung dieser Herausforderung sind CuKernPtSchale-Nanopartikel von besonderer Bedeutung, da sie aufgrund kompressibler Gitterverzerrungen der Pt-Schalen nachweislich eine erhöhte Aktivität gegenüber der ORR ermöglichen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden gängige elektrochemische Abscheidemethoden, welche im ng- bis µg-Bereich Anwendung finden, erfolgreich auf den mg- bis g-Bereich übertragen. Dabei wurden die kompressiblen Pt-Gitterverzerrungen gewährleistet und eine Pt-Reduktion von bis zu 12 %, bezogen auf den technischen Referenzkatalysator Pt/C erreicht. Es konnten ORR-Aktivitäten der kohlenstoff-geträgerten CuKernPtSchale-Nanopartikel von bis zu 0,896 ± 0,051 mA•cm-2Pt bzw. 0,244 A•mg 1Pt realisiert werden. Dies gelang durch das Etablieren der Methode der Potentialunterstützten Redoxaustauschreaktion (PR) unter Verwendung eines elektrochemischen Slurry-Reaktors (ESR). Eine tiefer gehende Betrachtung der an der Oberfläche der Elektrokatalysatoren ablaufenden Reaktionen erfolgte dabei durch DRIFTS-Untersuchungen, während der Kern-Schale-Nachweis mittels XPS erbracht wurde.

The clammed ORR at the cathode site of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) reduces the efficiency of the PEMFC significantly. To solve this problem CucorePtshell nanoparticles are of high importance, because of the compressible strain effects in the Pt shells, which led to higher ORR activities. During this thesis common electrochemical deposition methods were successful up-scaled to gain mg- or g-amounts of electrocatalyst instead of ng- or µg-amounts of electrocatalyst. That was achieved with the newly established method of the potential supported redox exchange reaction (PR) realized in an electrochemical slurry reactor (ESR). By use of this method the preservation of the necessary compressible strain effects was possible. Beside that the Pt amount was decreased up to 12 % compared to the technical used catalyst Pt/C and an ORR activity of 0,896 ± 0,051 mA•cm-2Pt and 0,244 A•mg 1Pt was achieved. For a better understanding of the reactions at the surface of the electrocatalysts DRIFTS measurements were done while the evidence of the core shell structure was realized by XPS.