Herstellung von Heterogelen aus Metall- und Metalloxidnanokristallen mittels Kryogelierverfahren für die Anwendung in der Elektrokatalyse

Ziel dieses Projekts ist es, neue poröse selbsttragende Gele aus Metall/Metalloxid (M/MO) Mischsystemen mittels Kryogelierverfahren aus vorgeformten Nanokristallen (NKs) herzustellen und bezüglich ihrer Eignung als Elektrokatalysatoren zu testen. Dabei sollen insbesondere Struktur-Eigenschafts-Korrelationen bezüglich der Parameter Kristallinität, Form, Größe und Facettierung der Bausteine, Beschaffenheit und Größe der M/MO Grenzfläche, Porengröße des Gels etc. hergestellt werden, um schließlich durch gezieltes Einstellen dieser Parameter eine Optimierung der elektrokatalytischen Aktivität und Langzeitstabilität zu erreichen.

Zunächst werden kolloidale NKs aus M, MO und aus Kombinationen von beidem mittels nasschemischen Syntheserouten hergestellt, da mit solchen Methoden eine hohe Kontrolle über Größe, Form, und Facettierung der NKs erreicht werden kann. Diese NKs werden als Bausteine bei der Herstellung von Aerogelen eingesetzt. Dafür wird das sog. Kryogelierverfahren verwendet, das es ermöglicht, die selbsttragenden Aerogele quasi unabhängig von der NK-Größe oder Oberflächenbeschaffenheit herzustellen. Dies geschieht durch Einfrieren einer konzentrierten wässrigen Lösung der NKs, indem die Partikel an die Eiskristallitwände gedrängt werden, sodass ein durchgängiges Netzwerk der NKs entsteht, das nach Sublimation des Wassers als selbsttragendes monolithisches Aerogel zurückbleibt. Durch die der Kryogelierung inhärente Unabhängigkeit von der Oberflächenchemie wird erwartet, dass mit diesem Verfahren beliebige Mischungen aus M- und MO-NKs in beliebigen Zusammensetzungen geliert werden können, was dann eine zufällige Verteilung beider Materialklassen bewirken sollte. D.h. das gemischte Gel kann aus unterschiedlichen NK-Größen, -Formen, -Facettierungen und mit verschiedenen Oberflächenliganden hergestellt werden.Anstatt NK-Mischungen werden bei der Kryogelierung auch Hetero-NKs aus zwei oder mehr Domänen unterschiedlicher Materialklassen eingesetzt, was die Vorteile einer sehr gleichmäßigen Verteilung beider Materialien im Gel und sehr guter Kontrolle über die M/MO Grenzfläche vereint.

Als alternatives Verfahren werden MO-NKs kryogeliert und Metalldomänen durch Reduktion von infiltrierten Metallpräkursoren darauf abgeschieden. Somit besteht zwar nur über die MO-NK Bausteine eine gute Form- und Facettierungskontrolle, dafür sind die Metalldomänen weitgehend frei von Liganden. Alle o.b. Systeme aus Gelen stellen makroporöse kontinuierlichen NK-Assemblierungen dar. Diese werden im nächsten Schritt auf eine rotierende Scheibenelektrode aufgebracht, und mittels elektrochemischen Verfahren auf ihre Eigenschaften als Elektrokatalysatoren bei der Sauerstoffreduktionsreaktion untersucht. Die verschiedenen eingesetzten Strukturelemente werden miteinander verglichen, um die wichtigen Parameter für den Einsatz in der Elektrokatalyse zu verstehen und eine Verbesserung im Vergleich zu beispielsweise kommerziell erhältlichen Referenzsystemen zu erreichen.