Struktur-Reaktivitätsbeziehungen bei bimetallischen Elektroden

Bimetallische (Elektro-)Katalysatoren sind bekannt für ihre hohe Aktivität. Dieses Projekt zielt auf ein grundlegendes quantitatives Verständnis elektrochemischer bzw. -katalytischer Elementarrektionen und einfacher Prozesse auf nanostrukturierten bimetallischen Elektrodenoberflächen als Modellsysteme für bimetallische Elektrokatalysatoren, basierend auf dem Konzept lokaler Reaktivitäten individueller bimetallischer Nanostrukturen (atomarer Ensembles). Entsprechend sind die Identifizierung, Charakterisierung und das theoretische Verständnis der elektrochemischen / -katalytischen Eigenschaften individueller bimetallischer Nanostrukturen bekannter Zusammensetzung und Struktur zentrale Aufgaber dieses Projekts. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lateral inhomogenen Oberflächen, z.B. aufgrund von Stufen / Kinken, vor allem aber gemischten Oberflächen wie Oberflächen\-legierungen und deren Wechselwirkung mit Spezies wie H, OH, O2, CO, oder Methanol in Oxidations- oder Reduktionsreaktionen.

Dies soll durch Kombination von Experiment und Theorie erreicht werden. Nanostrukturierte Elektrodenoberflächen mit bekannten Typus und Dichte spezifischer struktureller Elemente, die mit atomarer Auflösung mittels Rastertunnelmikroskopie bestimmt wurden, werden mit Hilfe von Ultrahochvakuum-Techniken präpariert. Lokale Reaktivitäten werden bestimmt durch Korrelation der elektrochemischen / -katalytischen Eigenschaften mit der systematisch variierten Konzentration bestimmter Strukturelenente. Die Resultate werden mit den Ergebnissen von Dichtefunktionaltheorie-(DFT)-Rechnungen an geeigneten Oberflächen verglichen, bei denen die elektrochemische Umgebung berücksichtigt ist. Kinetische Monte Carlo Simulationen der Gesamtreaktionen, basierend auf Energieparametern aus den DFT Rechnungen, werden benutzt, um die zugrunde liegenden Konzepte zu verifizieren. Damit soll dieser Ansatz als ein allgemeines Verfahren zum Verständnis (elektro-)katalytischer Prozesse auf inhomogenen Elektroden und Katalysatoren etabliert werden.

Ein zweiter wesentlicher Aspekt ist die korrekte Beschreibung der Metall-Elektrolyt Grenzfläche an bimetallischen Elektroden, unter Berücksichtigung der Oberflächeninhomogenität und adsorbierter Spezies (Anionen, H, OH). Dazu werden theoretische Ansätze durcspektroskopische Modelluntersuchungen unterstützt.

Die Ergebnisse diese Projekts sollen ermöglichen,

  1. Aussagen über die generelle Gültigkeit des Konzepts der lokalen Reaktivität für die Beschreibung der elektrochemischen / -katalytischen Eigenschaften bimetallischer Oberflächen zu machen, das den meisten mechanistischen Vorstellungen zugrunde liegt,
  2. mögliche Unterschiede darin zwischen fest-gas und fest-flüssig Grenzfläche zu identifizieren,
  3. Trends in den elektrochemische / -katalytischen Eigenschaften bestimmter Strukturelemente anzugeben, und
  4. zwischen Beiträgen elektronischer Liganden- und Verspannungseffekte, geometrischer Ensembleeffekte oder bifunktioneller Effekte zu unterscheiden.

Kontakt

  • Prof. Dr. Axel Groß
  • Inst. für Theoretische Chemie
  • Universität Ulm
  • Albert-Einstein-Allee 11
  • 89069 Ulm
  • Telefon: 0731/50 22810
  • Telefax: 0731/50 22819
  • E-Mail: axel.gross(at)uni-ulm.de

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Struktur-Reaktivitätsbeziehungen bei bimetallischen Elektroden

Bimetallische (Elektro-)Katalysatoren sind bekannt für ihre hohe Aktivität. Dieses Projekt zielt auf ein grundlegendes quantitatives Verständnis elektrochemischer bzw. -katalytischer Elementarrektionen und einfacher Prozesse auf nanostrukturierten bimetallischen Elektrodenoberflächen als Modellsysteme für bimetallische Elektrokatalysatoren, basierend auf dem Konzept lokaler Reaktivitäten individueller bimetallischer Nanostrukturen (atomarer Ensembles). Entsprechend sind die Identifizierung, Charakterisierung und das theoretische Verständnis der elektrochemischen / -katalytischen Eigenschaften individueller bimetallischer Nanostrukturen bekannter Zusammensetzung und Struktur zentrale Aufgaber dieses Projekts. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lateral inhomogenen Oberflächen, z.B. aufgrund von Stufen / Kinken, vor allem aber gemischten Oberflächen wie Oberflächen\-legierungen und deren Wechselwirkung mit Spezies wie H, OH, O2, CO, oder Methanol in Oxidations- oder Reduktionsreaktionen.

Dies soll durch Kombination von Experiment und Theorie erreicht werden. Nanostrukturierte Elektrodenoberflächen mit bekannten Typus und Dichte spezifischer struktureller Elemente, die mit atomarer Auflösung mittels Rastertunnelmikroskopie bestimmt wurden, werden mit Hilfe von Ultrahochvakuum-Techniken präpariert. Lokale Reaktivitäten werden bestimmt durch Korrelation der elektrochemischen / -katalytischen Eigenschaften mit der systematisch variierten Konzentration bestimmter Strukturelenente. Die Resultate werden mit den Ergebnissen von Dichtefunktionaltheorie-(DFT)-Rechnungen an geeigneten Oberflächen verglichen, bei denen die elektrochemische Umgebung berücksichtigt ist. Kinetische Monte Carlo Simulationen der Gesamtreaktionen, basierend auf Energieparametern aus den DFT Rechnungen, werden benutzt, um die zugrunde liegenden Konzepte zu verifizieren. Damit soll dieser Ansatz als ein allgemeines Verfahren zum Verständnis (elektro-)katalytischer Prozesse auf inhomogenen Elektroden und Katalysatoren etabliert werden.

Ein zweiter wesentlicher Aspekt ist die korrekte Beschreibung der Metall-Elektrolyt Grenzfläche an bimetallischen Elektroden, unter Berücksichtigung der Oberflächeninhomogenität und adsorbierter Spezies (Anionen, H, OH). Dazu werden theoretische Ansätze durcspektroskopische Modelluntersuchungen unterstützt.

Die Ergebnisse diese Projekts sollen ermöglichen,

  1. Aussagen über die generelle Gültigkeit des Konzepts der lokalen Reaktivität für die Beschreibung der elektrochemischen / -katalytischen Eigenschaften bimetallischer Oberflächen zu machen, das den meisten mechanistischen Vorstellungen zugrunde liegt,
  2. mögliche Unterschiede darin zwischen fest-gas und fest-flüssig Grenzfläche zu identifizieren,
  3. Trends in den elektrochemische / -katalytischen Eigenschaften bestimmter Strukturelemente anzugeben, und
  4. zwischen Beiträgen elektronischer Liganden- und Verspannungseffekte, geometrischer Ensembleeffekte oder bifunktioneller Effekte zu unterscheiden.