„DFG Forschergruppe "Elementary Steps in Electrocatalysis: Theory meets Experiment"“

Axel Groß und Jürgen Behm

Elektrochemische und elektrokatalytische Prozesse an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt spielen eine große Rolle bei der Umwandlung und Speicherung von Energie, z.B. in Brennstoffzellen und Batterien. Nichtsdestotrotz sind die einzelnen mikroskopischen Schritte noch wenig verstanden und werden zum Teil sehr kontrovers diskutiert. Dies ist selbst bei scheinbar einfachen Reaktionen wie der Wasserstoffentwicklung oder der Reduktion von O2 der Fall. Ein Grund dafür ist die komplexe Struktur der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. In Abb.1 ist dies für die Bildung und Zersetzung von OOH, einem möglichen Zwischenprodukt bei der Sauerstoffreduktion (O2 + 4H+ + 4e-    2 H2O), auf einer Pt(111) Elektrode in wässriger Umgebung dargestellt. Selbst für diese einfache Reaktion sind bereits mehrere Reaktionsmechanismen denkbar. Aufgrund der Anwesenheit von Wasser ist die Anzahl möglicher Konfigurationen enorm, entsprechend ist das in Abb. 1 dargestellte Modell stark idealisiert. Zum Beispiel sind adsorbierter Wasserstoff und adsorbierte Anionen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche nicht berücksichtigt worden. Dasselbe gilt für Defekte an der Elektrodenoberfläche. Zusätzlich muss das angelegte Elektrodenpotential berücksichtigt werden. Es ist diese Komplexität, die die Aufklärung der elementaren Reaktionsschritte mit theoretischen wie auch experimentellen Methoden so erschwert.

Abbildung 1: Schnappschüsse der Bildung (links) und Zersetzung (rechts) von adsorbiertem OOH an einer Pt(111)-Oberfläche in wässriger Umgebung: Links OOH Bildung nach Übertrag von einem Proton (hell) von H3O+ auf adsorbiertes O2 und rechts anschließende Dissoziation in adsorbiertes OH und O (rot).

Zur Aufklärung dieser Fragestellungen wurden in den letzten Jahren, über die traditionellen elektrochemischen Methoden hinaus, eine Reihe mikroskopischer und spektroskopischer Verfahren entwickelt, die es gestatten, die Struktur der Grenzfläche und daran ablaufende Prozesse in situ, d.h., im Elektrolyten, auf molekularer Skala zu erfassen. Beispiele sind die in situ Rastertunnelmikroskopie, mit der Oberflächen und adsorbierte Spezies auf atomarer/molekularer Skala sichtbar gemacht werden können, oder die in situ IR Spektroskopie, mit der auch in Gegenwart stark absorbierender Elektrolyte adsorbierte Spezies anhand ihrer charakteristischen Schwingungen identifiziert und zeitlich verfolgt werden können. Auf der anderen Seite sind in den letzten Jahren enorme Fortschritte in der theoretischen Beschreibung von chemischen Reaktionen an Grenzflächen gemacht worden, vor allem mit Hilfe von Elektronenstrukturrechnungen auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Dies liegt zum Einen an der Verbesserung der Computerleistung, zum Anderen an der Entwicklung genauerer und effizienterer Methoden und Algorithmen. Die Theorie ist daher nicht mehr nur auf das Erklären von experimentellen Beobachtungen beschränkt, sondern erlaubt es auch, verlässliche Vorhersagen über Strukturen und Prozesse in der Katalyse und Elektrokatalyse zu machen. Hier setzt die soeben bewilligte DFG-Forschergruppe an (Sprecher: Prof. Dr. Axel Groß, Institut für Theoretische Chemie, Universität Ulm), deren Titel "Elementarschritte in der Elektrokatalyse: Theorie trifft auf das Experiment" den neuartigen programmatischen Ansatz verkündet. Durch die Verbindung von hoch entwickelten quantenchemischen Verfahren mit modernen mikroskopischen und spektroskopischen Methoden sollen Elementarschritte in der Elektrokatalyse anhand einiger wichtiger Reaktionen aufgeklärt werden. Diese Forschergruppe wird von der DFG in den nächsten drei Jahren mit über 2,2 Millionen EUR gefördert, wobei fast 1,9 Millionen EUR an die Universität Ulm gehen, der Rest an zwei Arbeitsgruppen an der TU München und der Universität Duisburg-Essen.

Die Universität Ulm ist für diese Thematik besonders geeignet. Hier gibt es eine Konzentration von elektrochemisch interessierten Theoretikern, wie sie weltweit selten vorkommt. Dabei handelt es sich um eine Mischung von jungen erfolgversprechenden Wissenschaftlern, wie zum Beispiel PD Dr. Timo Jacob, der eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe im Institut für Elektrochemie leitet und gerade mit einem ERC Starting Grant und dem Wissenschaftspreis der Stadt Ulm ausgezeichnet worden ist, und erfahrenen Kollegen wie Prof. Dr. Axel Groß, Prof. Dr. Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos aus dem Institut für Theoretischen Chemie. Diese werden eng mit ihren international ausgewiesenen, experimentell tätigen Kollegen Prof. Dr. R. Jürgen Behm, Dr. Harry Hoster, Dr. Zenonas Jusys (Institut für Oberflächenchemie und Katalyse) und Dr. Ludwig Kibler (Institut für Elektrochemie) zusammenarbeiten. Ergänzt wird diese Gruppe durch Prof. Dr. Ulrich Stimming (TU München, Experiment, gleichzeitig Honorarprofessor der Universität Ulm) und Prof. Dr. Eckhard Spohr (Universität Duisburg-Essen, Theorie, Habilitation an der Universität Ulm).

Das Ziel der Forschergruppe ist dabei nicht die direkte Entwicklung von verbesserten Brennstoffzellen oder Batterien, sondern die mechanistische Aufklärung der in diesen elektrochemischen Systemen ablaufenden Elementarprozesse. Da Fortschritte in der Brennstoffzellen- und Batterietechnologie zum Teil noch an ganz grundlegenden Problemen hängen, können diese Erkenntnisse aber auch hochaktuell für technische Anwendungen sein.

Die Forschergruppe ist Teil der intensiven Anstrengungen an der Universität Ulm zur Untersuchung der elektrochemischen Grundlagen der Energiespeicherung und -wandlung. Reger Austausch mit der Anwendung soll durch enge Kontakte mit dem im Bereich der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung von Batterien und Brennstoffzellen arbeitenden Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm und dem in Gründung befindlichen Helmholtz-Institut Ulm erreicht werden.

Schlauer Fuchs

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