Elektrokatalytische Funktion nanostrukturierter Oberflächen – Reaktion und Massentransport

Neben den chemischen Eigenschaften des Katalysators spielen Transportprozesse, d.h. der Transport von Edukten, Zwischen-/Nebenprodukten und Produktmolekülen, eine wesentliche Rolle für den Ablauf katalytischer und elektrokatalytischer Reaktionen und damit auch für die resultierende Produktverteilung. Mit den Möglichkeiten der Nanotechnologie lassen sich erstmals realistische Strukturen im Nanometerbereich mit wohldefinierten Oberflächeneigenschaften herstellen, an denen derartige Reaktionen wie auch der Einfluss von Transportprozessen unter definierten Bedingungen quantitativ untersucht und theoretisch modelliert werden können.

Ziel des vorliegenden Projektes ist ein quantitatives Verständnis des Ablaufs elektrokatalytischer Reaktionen an nanostrukturierten Elektroden auf molekularer Skala unter Einbeziehung der dabei ablaufenden Transportprozesse. Dazu werden, z.B. mit Hilfe von kolloidlithograpischen Verfahren, metallsalzbeladenen Mizellen oder massenselektierten Metallclustern,  nanostrukturierte Elektroden bestehend aus einem inerten, planaren Träger und darauf deponierten katalytisch aktiven Edelmetall-Nanopartikeln mit gleichmäßigen Partikelabstand und enger Partikelgrößenverteilung hergestellt. Anschließend wird auf diesen strukturell wohldefinierten Elektroden der Ablauf elektrokatalytischer Reaktionen (Produktbildungsraten, Produktverteilung) z.B. mit DEMS (= Differentieller Elektrochemischer Massenspektroskopie) oder IR-Spektroskopie unter definierten Transportbedingungen untersucht. Zusammen mit umfangreichen theoretischen Arbeiten zur modellhaften Beschreibung der ablaufenden Reaktions- und Transportprozesse sowie über die systematische Variation der Transportbedingungen (Elektrolytfluss, Eduktkonzentration) und der Partikelgrößen/–abstände soll ein molekulares Verständnis des Reaktionsablaufs unter Einbeziehung von Transportprozessen und des Einflusses der Elektrodenmorphologie darauf erreicht werden.

Neben dem grundsätzlichen Verständnis des Reaktionsablaufs bieten die Ergebnisse auch eine Basis für die zielgerichtete strukturelle Optimierung technischer Katalysatorstrukturen insbesondere für die DMFC (= Direct Methanol Fuel Cell)-Technologie.