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TU Berlin

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kurzer Forschungsüberblick

Unsere Forschungsaktivitäten richten sich auf die Materialwissenschaften und Katalyse von nanostrukturierten Materialien für saubere Energiespeicherung und -umwandlung. Besonders interessiert sind wir am fundamentalen Verständnis von bimetallischer Elektrokatalyse in Niedrigtemperaturbrennstoffzellen, an strukturellen Kräftespielen von Nanopartikelkatalysatoren, an (photo)katalytischen Prozessen in der Wasserstoffproduktion und Wasserspaltung, an katalytischen Umwandlungsprozessen von Biomasse und an bioelektrokatalytischer Analytik.

Forschungsprojekte und -interessen

1. Ethanol-Brennstoffzelle (DEFC)

Lupe

Das übergeordnete Ziel ist es, ein Konzept zur Lebensfähigkeit von Ethanol-Brennstoffzellen mit verbesserten Katalysator- und Membrankomponenten  in einer einzelnen Laborbrennstoffzelle bei erhöhten Temperaturen zu demonstrieren. Das erste spezifische Ziel zur Erreichung dieses Ziels ist die Entdeckung und Entwicklung von neuartigen selektiven  und multifunktionalen Elektrokatalysatormaterialien für die Ethanol-Oxidationsreaktion (EOR) und einem Ethanol-toleranten Katalysator die für Sauerstoffreduktion (ORR). Die Reduktion der Katalysatorkosten wird durch Anwendung von Nanotechniken bei den Katalysatorstrukturen und Oberflächeneigenschaften erreicht, was zur Entwicklung von aktiven katalytischen Materialien mit einer hohen Selektivität bezüglich der 12e- Oxidation zu CO2 führt.

Lupe

Elektrochemische in situ FTIR Spektroskopie kann wertvolle Informationen über adsorbierte Spezies auf elektrokatalytisch aktiven Oberflächen bei kontrollierten Bedingungen liefern. FTIR liefert Informationen über die Bindung und Adsorption von Molekülen auf der untersuchten Oberfläche. Somit können bestimmte Reaktionsprozesse bei definierten Potentialen auf Edukte, Produkte und Reaktionsintermediate untersucht werden. Zusammen mit der aus anderen Techniken erhaltenden Information über Zusammensetzung und Struktur der Katalysatoroberflächen kann das so gewonnene Wissen neue Einblicke in katalytischen Reaktionsmechanismen liefern. Ziel des aktuellen Projektes ist dabei durch dieses grundlegende Verständnis die Elektrokatalysatoren für Anoden von DEFC (Direct ethanol fuel cells) zu optimieren.

2. Metallionenbatterien

Lupe

Das Verständnis der Ionenleitung in Elektroden ist sehr wichtig, um die Leistung von Elektrodenmaterialien für Elektroden zu verbessern. Wir untersuchen den Interkalationsprozess von Lithium- oder Magnesium-Ionen in aktiven Kathodenmaterialien mit Hilfe von elektrochemischen und chemisch-analytischen Methoden.

3. Elektrochemische CO2 Reduktion

Lupe
  • Untersuchung der elektrochemischen CO2 Reduktion an Metallkatalysatoren
  • Bestimmung der Produktverteilung über dem Reduktionspotential an Kupferelektroden
  • Steigerung der Selektivität und Stromeffizienz durch Modifizierung der Metalloberfläche
  • Untersuchung von Partikelgrößen- und Anioneneffekten
  • Erfassung und Auswertung der elektrochemischen CO2-Reduktion mittels  Linearsweep- und Cyclovoltammetrie, Chronoamperometrie und Impedanzmessungen   
  • Online Gasanalyse mit differential electrochemical mass spectrometer (DEMS) und Gaschromatographie GC  

4. Sauerstoffevolutionsreaktion (OER)

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  • Synthese und Charakterisierung von Edelmetallmodellkatalysatorsystemen aus Ru und Ir  für die Sauerstoffevolutionsreaktion
  • In-situ Spektroskopie an der at the electrified catalyst-electrolyte interface
  • kinetische Analyse und Modellierung
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  • Mn-basierte Sauerstoffevolutions- (OER) katalysatoren funktionieren in neutralen und basischen Elektrolyten und sind entscheidend für die Realisierung der Wasserstoffeinsparung aufgrund ihrer geringen Giftigkeit, dem hohen Vorkommen und ihres geringen Preises
  • MnOx Nanopartikel abgeschieden auf mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren durch die Incipient Wetness Imprägnierung (i-MnOx) und die Symproportionierungreaktion (en-MnOx) zeigen vielversprechende OER-Aktivität und -Stabilität in neutralen Elektrolyten
  • i-MnOx ist vergleichbar mit MnOx Katalysatoren aus der Technik in stark alkalischen Lösungen und bietet daher Vorteile für die Wasserstofferzeugung aus Abfällen und Meerwasser unter neutralen und daher umweltschonenden Bedingungen

Das NiFeOx-Nanopartikel-Projekt fokussiert sich auf gut definierte Nanopartikel, welche frei in Lösung oder immobilisiert auf Trägermaterialien mit großen Oberflächen sind, und das Wachstum unter verschiedenen Solvothermalsynthesen untersucht wird. Struktur-Aktivitäts-Beziehungen werden durch in-situ Charakterisierung während der Aufnahme von elektrochemischen Zyklen untersucht, um die grundlegenden katalytischen Mechanismen und Beziehungen von Parametern wie Veränderungen in der (Oberflächen-) Struktur und Zwischenprodukten zu verstehen und diese mit der katalytischen Effizienz und Stabilität zu verknüpfen.

Lupe
  • Entwicklung stabiler Synthesemethoden von Oxid-geträgerten IrxM1-xOy (M = Ni, Co) Kern-Schale-Bimetall-Nanopartikeln.
  • Aufbau und Nutzung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen von OER Kern-Schale-Bimetall-Nanopartikel-Elektrokatalysatoren. Dies beinhaltet die Herstellung von porösen, leitfähigen Oxidträgern und die kontrollierte Abscheidung von Oxid-Nanopartikeln mit kontrollierter Beladung.
  • Verständnis des Mechanismus der OER Reaktion an Kern-Schale-Nanopartikeln durch Verwendung von elektrochemischen kinetischen Daten kombiniert mit in-situ spektroskopischen Informationen aus SAXS.
  • Synthese von Ir-Ni-Bimetall-Nanopartikeln durch Verwendung der Polyol-Methode. Charakterisierung der so hergestellten Nanopartikel mittels XRD, TEM, ICP, STEM-EELS.
  • Aufnahme und Analyse von kinetischen Daten der elektrochemischen Sauerstoffevolution in sauren Elektrolyten mittlels RDE, Linear Sweep-und Zyklovoltammetrie galvanostatischer Chronoamperometrie und Impedanzmessungen.

5. Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR)

Lupe

 

  • Synthese und Charakterisierung von PtNi-Nanopartikeln für die Sauerstoffreduktion (ORR) in Polymer-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC).
  • Verwendung verschiedener Abscheidungsverfahren (elektrochemische und chemische Abscheidung) für die beste Leistung des Katalysators.
  • Verbesserung der Katalysatoraktivität und Haltbarkeit durch Verwendung ternärer Legierungen PtNiX (X = Zn, Co, V, Mn).
Lupe

Formselektive oktaedrische Pt-Ni-legierte Nanopartikel mit {111}-Flächen sind einzigartige aktive Elektrokatalysatoren in Tieftemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen. Wir konzentrieren uns auf tensid-freie Solvothermalsynthesen von geformten Nanokatalysatoren und untersuchen ihr strukturelles Verhalten während der Elektrokatalyse.

Lupe
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  • Untersuchung der katalytischen Aktivität und Stabilität von Nicht-Edelmetall- (NNMC) und speziellen Mn/Fe-Bimetall-Katalysatoren durch RDE- und Brennstoffzellen-Test.
  • Grundlegende Untersuchungen zum tieferen Verständnis des aktiven Zentrums, seiner Struktur und Dichte, mittels temperatur-programmierter Desorption (TPD) und Puls-Chemisorption.
  • Design neuer Katalysatormaterialien basierend auf Untersuchungen zum aktiven Zentrum.

6. elektrochemische Umwandlung von Biomasse

Lupe

Erdölreserven sind begrenzt und ihre Nachfrage in der Welt wächst. Andererseits wird den erneuerbaren Energien wie Wind-, Solar- und Geothermie viel Aufmerksamkeit geschenkt, aber keine dieser erneuerbaren Quellen kann genutzt werden, um organische Chemikalien zu produzieren, die derzeit aus fossilen Brennstoffen erzeugt werden. Kohlenstoff-haltige Moleküle aus erneuerbarer Biomasse können möglicherweise als nachhaltiger Rohstoff für die chemische Industrie dienen. Um Technologien für die Biomasse-Uwandlung aus erneuerbaren und karbonfreien Molekülen zu entwickeln, sollte der Heiquelle, dem reinen Sauerstoff und Wasserstoff, die für den Prozess erforderlich sind, Aufmerksamkeit gewidmet werden. Um solche Probleme zu lösen, glauben wir, dass eine selektive chemische Umwandlung und die direkte Nutzung der Sonnenenergie die ultimative Lösung sind. Erneuerbare Solar/Wind-Energie und die erneuerbare Umwandlung von Biomasse sind zwei Grundpfeiler für eine zukünftige nachhaltige Energie- und Chemikalienversorgung. Beide Bereiche entwickeln sich derzeit unabhängig. Diese Forschungsgruppe untersucht, wie die beiden Bereiche am besten zusammen zu bringen sind, indem elektrische Energie zur Umwandlung von Biomasse in Chemikalien genutzt wird. Wir bieten eine vergleichende Perspektive um auf Biomasse-basierte chemischen Prozesse mittels elektrochemischer Katalyse zu entwickeln. Elektrochemische Katalyse bietet einen zusätzlichen Vorteil, indem sie als zwei zusätzliche externe Steuerparameter das Elektrodenpotential und den faradayschen Strom zu Verfügung stellt. Diese sind hilfreich, um die thermodynamische Triebkraft, Aktivierungsenergie und damit die Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität komplexer Reaktionsprozesse zu steuern. Die zentrale Molekül von Interesse ist hier das 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) aus Glucose/Fructose. Die Studie legt nahe, dass das elektrische Potential als effektiver Parameter zur Steuerung der Produkt-Selektivität in HMF-Umwandlungsreaktionen dient.

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Kontakt

Prof. Dr. Peter Strasser
die ECEMS-Gruppe
Technische Chemie
Institut für Chemie
Fakultät II
Sekr. TC 03
Raum TC 202
Straße des 17. Juni 124
10623 Berlin
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