Verbesserung der Gasphasensynthese von elektrokatalytischen Hetero-Aggregaten durch hochentwickelte Diagnostik und Leistungsbewertung

Die Abbildung drei Reaktorsysteme nebeneinander. Dabei stellen zwei die Komponenten des Reactor Mixing System dar und letzteres das neue Matrix Mixing System dar.
Spezialisierte Reaktorsysteme für die Bildung von Heteroaggregaten in der Aerosolphase.

Projektleitung :

Dr. rer. nat. Torsten Endres
Universität Duisburg-Essen

Prof. Dr. Hartmut Wiggers
Universität Duisburg-Essen

Das Projekt „Enhancing Gas-Phase Generation of Electrocatalytic Hetero-Aggregates with Advanced Optical Diagnostics“ zielt darauf ab, die Grenzen der elektrokatalytischen Materialsynthese durch neuartige Gasphasenmethoden zu erweitern. Der Schwerpunkt liegt auf der Optimierung der Bildung von Hetero-Aggregaten durch den Einsatz verbesserter optischer In-situ-Diagnostik, die speziell für Hetero-Aggregat-Systeme entwickelt wurde, um eine überlegene elektrokatalytische Leistung zu erzielen, wobei sowohl elektrisch leitende als auch katalytisch aktive Komponenten berücksichtigt werden.

Das Projekt konzentriert sich auf Anwendungen zur Energieumwandlung, wie z. B. Wasserspaltung und Kohlendioxidreduktion, und integriert strategisch Graphen (FLG) mit Titandioxid (TiO₂). Diese besondere Kombination nutzt die hohe elektrische Leitfähigkeit von FLG mit den katalytischen Eigenschaften von TiO₂ und ermöglicht so einen verbesserten Elektronentransfer und eine Maximierung der katalytischen Effizienz in Verbundmaterialien.

Ein Schlüsselaspekt des Projekts ist die Einbeziehung fortschrittlicher optischer In-situ-Diagnostik, die eine präzise Regulierung der Aggregatbildung und der Partikelinteraktionen in Echtzeit ermöglicht. Aufbauend auf den Errungenschaften der ersten Förderphase werden modernste laserbasierte Diagnosemethoden, einschließlich der laserinduzierten Inkandeszenz (LII) und der laserinduzierten Zusammenbruchsspektroskopie (LIBS), eingesetzt, um die Entwicklung und die strukturellen Merkmale der Heteroaggregate zu verfolgen. Diese Techniken ermöglichen einen hochempfindlichen Nachweis der Bildung von Heterokontakten zwischen den verschiedenen Partikeltypen direkt in der Gasphase. Darüber hinaus wird die thermografische Phosphorthermometrie eingesetzt, um die Temperaturprofile in den Reaktoren abzubilden und so die Reaktionsbedingungen und die Aggregationsdynamik zu optimieren.

Für die Synthese werden zwei spezielle Reaktorsysteme verwendet: das Reactor Mixing System (RMS), das die Interaktion unabhängig voneinander erzeugter Aerosole regelt, und das neu entwickelte Matrix Mixing System (MMS). Das MMS ermöglicht ein präzises Mischen unter verschiedenen Strömungsbedingungen und bietet einen optischen Zugang für eine detaillierte räumliche Charakterisierung der Partikelaggregation und Kontaktbildung. Ein Überblick über die Reaktorsysteme ist in Abbildung 1 dargestellt.

Ergänzende Ex-situ-Techniken wie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Raman-Spektroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) werden hochauflösende Struktur- und Zusammensetzungsanalysen liefern. Die Integration von In-situ- und Ex-situ-Diagnostik wird es dem Forschungsteam ermöglichen, Korrelationen zwischen spezifischen Syntheseparametern und der elektrokatalytischen Leistung der resultierenden Materialien herzustellen und so optimale Bedingungen für eine skalierbare Produktion von Hochleistungs-Heteroaggregaten zu identifizieren.

Durch die Konzentration auf die Kontrolle von Wechselwirkungen im Nano- und Mikrobereich mittels fortschrittlicher optischer Diagnostik fördert dieses Projekt nicht nur die nachhaltige Herstellung modernster elektrokatalytischer Materialien, sondern trägt auch zu den übergreifenden Zielen des SPP2289-Schwerpunktprogramms bei, insbesondere durch die Entwicklung von Partikelmaterialien mit maßgeschneiderten Funktionalitäten für die Energietechnologien der nächsten Generation.