Böttcher, Tim (2022)
Synthese metallischer Nanodrahtnetzwerke aus Nickel und Palladium für die alkalische Alkoholoxidation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019726
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Brennstoffzelle gilt als ein vielversprechender Energiewandler der Zukunft und als potentieller Nachfolgekandidat für den Verbrennungsmotor. In ihrer momentan gebräuchlichsten Form wird die Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff gespeist und setzt auf mit Platin als Katalysator versehene Kohlenstoffelektroden, die im Sauren betrieben werden. Obwohl dieses System grundsätzlich kohlenstoffdioxidneutral betrieben werden kann, leidet die Brennstoffzelle unter hohen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie geringen Haltbarkeiten. Die Handhabung und Lagerung des Wasserstoffs sowie die Anforderungen an die Reinheit der Gase stellen weitere Hindernisse für die Kommerzialisierung der Wasserstoffbrennstoffzelle dar.

Zu den Alternativen, die derzeit erforscht werden, gehört auch die alkalische Alkoholbrennstoffzelle, die ihre elektrische Energie aus der oxidativen Umwandlung kurzkettiger Alkohole wie Methanol und Ethanol unter basischen Bedingungen gewinnt. Als ein mögliches Katalysatormaterial bietet sich hier Palladium an, da es aus chemischer Sicht große Ähnlichkeiten zu Platin aufweist und besonders für die alkalische Ethanoloxidation geeignet sein soll. Um die Neigung zur Vergiftung durch Reaktionsintermediate und Kohlenstoffmonoxid zu senken, kann Palladium mit Nickel versehen werden. Dieses kann die katalytischen Eigenschaften des Palladiums sowohl durch die Möglichkeit zur Bereitstellung von Hydroxidgruppen zur Oxidation am Palladium adsorbierter Kohlenstoffintermediate als auch durch eine Anpassung der elektrischen Bandstruktur des Palladiums verbessern. Das Problem der mechanischen Stabilität nanopartikulärer Katalysatoren kann durch die Verwendung selbsttragender Katalysatorstrukturen umgangen werden, die beispielsweise über Templatverfahren erhalten werden können.

In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Nickel-Palladium-basierte Katalysatormaterialien für die alkalische Alkoholoxidation hergestellt und untersucht. Die Herstellung erfolgte nasschemisch über die Elektrodeposition, die stromlose Metallabscheidung und/oder den galvanischen Austausch in ionenspurgeätzten Polycarbonatmembranen. Je nach Prozessverfahren wurden so Nanodrahtnetzwerke aus reinem Nickel und Palladium, Nickelnetzwerke mit in die Drahtoberfläche integrierten Palladiumpartikeln erhalten. Weiterhin wurden Kern-Schale Nanodrahtnetzwerke aus Nickelnanodrähten, die mit einer glatten Palladiumschicht überzogen wurden und stachelige Kern-Schale Nanodrahtnetzwerke aus mit Nickelstacheln dekorierten Nanodrahtnetzwerken, die mit einer glatten Palladiumschicht überzogen wurden, hergestellt. Die jeweiligen Nanodrahtnetzwerke wurden rasterelektronenmikroskopisch und elektrochemisch in Form der Cyclovoltammetrie untersucht. Informationen über die Probenzusammensetzung wurden über energiedispersive Röntgenspektroskopie und vereinzelt optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma gewonnen. Weiterhin wurden vereinzelt transmissionselektronenmikroskopische und röntgendiffraktometrische Untersuchungen angestellt.

Die anvisierten Strukturtypen konnten allesamt erfolgreich hergestellt und die Syntheseroutinen im Zuge mehrerer Parameterstudien verfeinert werden. Die Eignung der jeweiligen Strukturtypen für die Alkoholoxidation wurde anhand von Halbzellmessungen mit den Alkoholen Methanol, Ethanol und Ethylenglykol in Form von Konzentrationsstudien und Langzeitstudien mit 1000 Zyklen in der Cyclovoltammetrie untersucht. Hier bewiesen alle hergestellten Strukturen die Fähigkeit zur Oxidation jedes der drei Alkohole. Als Vergleich wurde ein kommerzieller Aktivkohlenstoffkatalysator mit darauf abgeschiedenen Palladiumnanopartikeln untersucht, der von einigen der in dieser Arbeit angefertigten Strukturtypen in seiner Leistung überboten wurde. Auch zeigten sich die hergestellten Strukturen generell toleranter gegenüber hohen Alkoholkonzentrationen als die Referenz.

Die Auswertung der erhobenen Messdaten erfolgte mit der Software QChemAnalyst, welche im Rahmen dieser Arbeit geschrieben wurde.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen