Das angebrochene Energiezeitalter steht für erneuerbare Energiequellen, alternative Energiespeicher und innovative Energiewandler. Darunter gelten Brennstoffzellen als ideale Systeme, welche die Umwandlung von chemischer Energie, z. B. gespeichert in Wasserstoff oder Methanol, in elektrische Energie und Wärme, ermöglichen. Das Prinzip ist einfach, doch die technischen Ansprüche sind hoch: schneller und vollständiger Umsatz von Brennstoff und Oxidant bei adäquaten Temperaturen; hohe Stabilität von Katalysator und Membran unter kaustischen Bedingungen; ökonomischer und kundenfreundlicher Preis.
Ein Ansatz um sich dieser Herausforderung zu stellen, könnte die Verbesserung von Brennstoffzellenkatalysatoren und -elektroden hinsichtlich ihrer Aktivität, Selektivität und Stabilität im Langzeitbetrieb sein.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde zum ersten Mal der Einfluss mesoskopischer Transporteffekte, induziert durch entsprechende Elektrodenmorphologie, im Zusammenhang mit elektrokatalytischen Reaktionseigenschaften, wie Aktivität und Selektivität, auf molekularer Skala untersucht. Elektrokatalytisch aktive Platin-Nanostrukturen homogener Größe wurden regelmäßig auf planaren, elektrochemisch inerten Glaskohlenstoffträgern angeordnet (vgl. Abbildung). Diese Elektroden stellen vereinfachte zweidimensionale Modellsysteme der herkömmlichen kohlenstoffgeträgerten Platin-Katalysatoren dar.

Publikationen in Journal of The Electrochemical Society (2008) und Langmuir (2007) belegen die Stabilität dieser Modellsysteme nach der Applikation eines feststehenden experimentellen Protokolls, welches reale, in einer Brennstoffzelle vorherrschende Reaktionsbedingungen simulierte. Das Herzstück der von Frau Seidel vorgelegten Arbeit bilden die Untersuchungen von Massentransporteffekten (Antransport von Edukten zur Elektrode hin und Abtransport von Zwischen- und Endprodukten von der Elektrode weg) in elektrokatalytischen Reaktionen.
Besondere Aufmerksamkeit erzielte dabei der in Faraday Discussions Vol. 140 (2008) als „Hot Topic“ deklarierte Artikel, der den Einfluss von mesoskopischen Transporteffekten auf die Sauerstoffreduktionsreaktion behandelt und es auf das Cover dieser Ausgabe schaffte (vgl. Abbildung).

Bei der elektrokatalytischen Reduktion von Sauerstoff können Wasserstoffperoxid (H₂O₂) als reaktives Zwischenprodukt und Wasser (H₂O) als Endprodukt entstehen. Die Aktivität und Selektivität (Verhältnis von gebildetem H₂O₂ und H₂O) der Sauerstoffreduktionsreaktion wurde systematisch auf nanostrukturierten Modell-Elektroden mit veränderlichem Platinbedeckungsgrad (Anteil der Oberfläche des Glaskohlenstoffträgers der mit Platin-Nanostrukturen bedeckt ist) und bei unterschiedlichen Elektrolytflussraten untersucht. Es zeigte sich, dass neben dem zu erwartenden Anstieg des durch Massentransport limitierten Grenzstromes mit zunehmendem Platinbedeckungsgrad und schnellerer Elektrolytflussrate, auch eine vermehrte Bildung des reaktiven Zwischenproduktes H₂O₂ (i) mit abnehmendem Platinbedeckungsgrad und (ii) mit hoher Elektrolytflussrate, zu verzeichnen ist.

Anhand dieser Ergebnisse wurde das Konzept der „Desorption - Re-Adsorption - Reaktion“ eingeführt (vgl. Abbildung). Dieses Reaktionsmodell ermöglicht die Erklärung der experimentellen Befunde durch die Re-Adsorptionswahrscheinlichkeit reaktiver Zwischenprodukte auf benachbarten aktiven Platin-Plätzen nach der Desorption in die Diffusionsschicht und somit der Möglichkeit der Weiterreaktion zum stabilen Endprodukt an einem anderen freien Adsorptionsplatz. Die Re-Adsorptionswahrscheinlichkeit hängt insbesondere (i) von der Separation der Platin-Nanostrukturen und (ii) von der Elektrolytflussrate, ab. Infolgedessen sinkt die Re-Adsorptionswahrscheinlichkeit reaktiver Zwischenprodukte mit zunehmendem Abstand zwischen den Platin-Nanostrukturen oder mit zunehmender Elektrolytflussrate, was eine dünnere Diffusionsschicht bewirkt und somit die Aufenthaltszeit der Zwischenprodukte in der Nähe der Elektrodenoberfläche verringert.