Berlin, Freie University, Diss., 1999. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Chemnitz, Techn. Universiẗat, Diss., 2001.

Ulm, Univ., Diss., 2000.

Zugl.: Dortmund, Techn. Univ., Diss., 2009

University, Diss., 2002--Bonn.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung quantenchemischer Methoden auf Probleme der elektrochemischen Katalyse vor dem Hintergrund der Sauerstoffreduktion, wie sie an kohlenstoffgeträgerten Platinkatalysatoren abläuft. In diesem Zusammenhang werden die Stabilität des Katalysatorsystems und der Mechanismus der Sauerstoffreduktion untersucht, sowie ein Algorithmus zur Berechnung von Molekülen unter einem gegebenen Potential vorgestellt. Zuerst werden die Wechselwirkungen von Platinnanopartikeln mit polyzyklischen Aromaten als Modellverbindungen des Katalysatormaterials untersucht. Weiterhin wird untersucht, wie Modifikationen des Kohlenstoffträgers und variierende Größe des Platinsystems diese Wechselwirkungen beeinflussen. Weiterhin beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Reaktionsmechanismus der Sauerstoffreduktion. Zu diesem Zweck wird das Zersetzungsverhalten von H2O2 als mögliches Intermediat der Sauerstoffreduktion an Platinoberflächen untersucht. Weiterhin wird geprüft, inwieweit dem Elektrolyten hinzugefügte Ionen die Zersetzungsreaktionen beeinflussen. Abschließend werden Rückschlüsse auf den Reaktionspfad der Sauerstoffreduktion gezogen. Zuletzt wird ein theoretischer Ansatz zur Berechnung von Systemen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie vorgestellt, bei dem nicht die Anzahl der Elektronen, sondern das elektrochemische Potential vorgegeben ist und die Elektronenzahl potentialabhängig modifiziert wird. Ebenso wird die Relevanz von Rechnungen mit konstantem Potential demonstriert.

Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) have emerged as a promising renewable emission-free technology to solve the worldwide increasing demand for clean and efficient energy conversion. Despite large efforts in academia and automotive industry, the commercialization of PEFC vehicles still remains a great challenge. Critical issues are high material costs, insufficient catalytic activity as well as longterm durability. Especially due to the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR), high Pt loadings on the cathode are still necessary which leads to elevated costs. Alloys of Pt with other less precious metals (Co, Ni, Fe, Cu, etc.) show improved ORR activities compared to pure Pt catalysts. However, state-of-the-art carbon-supported catalysts suffer from severe Pt and carbon corrosion during the standard operation of PEFCs, affecting their reliability and long-term efficiency. Multimetallic aerogels constitute excellent candidates to overcome these issues. Due to their large open pores and high inner surface areas combined with electrical conductivity, they are ideal for applications in electrocatalysis. In addition, they can be employed without any catalyst support. Therefore, the fabrication of bimetallic Pt-M (M=Ni, Cu, Co, Fe) aerogels for applications in fuel cell catalysis was the focus of this thesis. Based on a previously published synthesis for Pt–Pd aerogels, a facile one-step procedure at ambient conditions in aqueous solution was developed. Bimetallic aerogels with nanochain diameters of as small as 4 nm and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas of up to 60 m2/g could be obtained. Extensive structure analysis of Pt–Ni and Pt–Cu aerogels by powder X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XAS), scanning transmission electron microscopy coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (STEM-EDX) and electrochemical techniques showed that both metals were predominantly present in their metallic state and formed homogeneous alloys. However, metal (hydr)oxide byproducts were observed in aerogels with higher contents of non-precious metal (>25 %). Moreover, electronic and geometric structures were similar to those of carbon-supported Pt alloy catalysts. As a result, ORR activites were comparable, too. A threefold improvement in surface-specific activity over Pt/C catalysts was achieved. The mass-specific activites met or exceeded the U.S. Department of Energy (DOE) target for automotive PEFC applications. Furthermore, a direct correlation between non-precious metal content in the alloy and ORR activity was discovered. Aerogels with nonprecious metal contents >25% turned out to be susceptible to dealloying in acid leaching experiments, but there was no indication for the formation of extended surface structures like Pt-skeletons. A Pt3Ni aerogel was successfully employed as the cathode catalyst layer in a differential fuel cell (1 cm2), which is a crucial step towards technical application. This was the first time an unsupported metallic aerogel was implemented in a PEFC. Accelerated stress tests that are usually applied to investigate the support stability of fuel cell catalysts revealed the excellent stability of Pt3Ni alloyed aerogels. In summary, the Pt alloy aerogels prepared in the context of this work have proven to be highly active oxygen reduction catalysts with remarkable stability.

The needs for sustainable energy generation, but also a sustainable chemistry display the basic motivation of the current thesis. By different single investigated cases, which are all related to the element carbon, the work can be devided into two major topics. At first, the sustainable synthesis of “useful” carbon materials employing the process of hydrothermal carbonisation (HC) is described. In the second part, the synthesis of heteroatom - containing carbon materials for electrochemical and fuel cell applications employing ionic liquid precursors is presented. On base of a thorough review of the literature on hydrothermolysis and hydrothermal carbonisation of sugars in addition to the chemistry of hydroxymethylfurfural, mechanistic considerations of the formation of hydrothermal carbon are proposed. On the base of these reaction schemes, the mineral borax, is introduced as an additive for the hydrothermal carbonisation of glucose. It was found to be a highly active catalyst, resulting in decreased reaction times and increased carbon yields. The chemical impact of borax, in the following is exploited for the modification of the micro- and nanostructure of hydrothermal carbon. From the borax - mediated aggregation of those primary species, widely applicable, low density, pure hydrothermal carbon aerogels with high porosities and specific surface areas are produced. To conclude the first section of the thesis, a short series of experiments is carried out, for the purpose of demonstrating the applicability of the HC model to “real” biowaste i.e. watermelon waste as feedstock for the production of useful materials. In part two cyano - containing ionic liquids are employed as precursors for the synthesis of high - performance, heteroatom - containing carbon materials. By varying the ionic liquid precursor and the carbonisation conditions, it was possible to design highly active non - metal electrocatalyst for the reduction of oxygen. In the direct reduction of oxygen to water (like used in polymer electrolyte fuel cells), compared to commercial platinum catalysts, astonishing activities are observed. In another example the selective and very cost efficient electrochemical synthesis of hydrogen peroxide is presented. In a last example the synthesis of graphitic boron carbon nitrides from the ionic liquid 1 - Ethyl - 3 - methylimidazolium - tetracyanoborate is investigated in detail. Due to the employment of unreactive salts as a new tool to generate high surface area these materials were first time shown to be another class of non - precious metal oxygen reduction electrocatalyst. / Die Notwendigkeit einer nachhaltigen Energiewirtschaft, sowie der nachhaltigen Chemie stellen die Motivation der vorgelegten Arbeit. Auf Grundlage separater Untersuchungen, die jeweils in engem Bezug zum Element Kohlenstoff stehen, kann die Arbeit in zwei Themenfelder geordnet werden. Der erste Teil behandelt die nachhaltige Herstellung nützlicher Kohlenmaterialien mit Hilfe des Verfahrens der hydrothermalen Carbonisierung. Im zweiten Teil wird die Synthese von Bor und Stickstoff angereicherten Kohlen aus ionischen Flüssigkeiten für elektrochemische Anwendungen abgehandelt. Insbesondere geht es um die Anwendung in Wasserstoff-Brennstoffzellen. Als Ergebnis einer sorgfältigen Literatur¬zusammenfassung der Bereiche Hydrothermolyse, hydrothermale Carbonisierung und Chemie des Hydroxymethylfurfurals wird ein chemisch-mechanistisches Modell zur Entstehung der Hydrothemalkohle vorgestellt. Auf der Basis dieses Modells wird ein neues Additiv zur hydrothermalen Carbonisierung von Zuckern vorgestellt. Die Verwendung des einfachen Additivs, genauer Borax, erlaubt eine wesentlich verkürzte und zu niedrigeren Temperaturen hin verschobene Prozessführung mit höheren Ausbeuten. Anhand des mechanistischen Modells wird ein Einfluss auf die Reaktion von Zuckern mit der reaktiven Kohlenvorstufe (Hydroxymethylfurfural) identifiziert. Die chemische Wirkung des Minerals Borax in der hydrothermalen Carbonisierung wird im Folgenden zur Herstellung vielfältig anwendbarer, hochporöser Kohlen mit einstellbarer Partikelgröße genutzt. Zum Abschluss des ersten Teils ist in einer Serie einfacher Experimente die Anwendbarkeit des mechanischen Modells auf die Verwendung „echter“ Biomasse in Form von Wassermelonenabfall gezeigt. Im zweiten Teil werden verschiedene cyano-haltige ionische Flüssigkeiten zur ionothermalen Synthese von Hochleistungskohlen verwendet. Durch Variation der ionischen Flüssigkeiten und Verwendung unterschiedlicher Synthesebedingungen wird die Herstellung hochaktiver, metallfreier Katalysatoren für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff erreicht. In der direkten Reduktion von Sauerstoff zu Wasser (wie sie in Brennstoffzellen Anwendung findet) werden, verglichen zu konventionellen Platin-basierten elektrochemischen Katalysatoren, erstaunliche Aktivitäten erreicht. In einem anderen Beispiel wird die selektive Herstellung von Wasserstoffperoxid zu sehr geringen Kosten vorgestellt. Abschließend wird anhand der Verwendung der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetracyanoborat eine detaillierte Betrachtung zur Herstellung von graphitischem Borcarbonitrid vorgestellt. Unter Verwendung unreaktiver Salze, als einfaches Werkzeug zur Einführung großer inneren Oberflächen wird erstmals die elektrokatalytische Aktivität eines solchen Materials in der elektrochemischen Sauerstoffreduktion gezeigt.

Zugl.: Freiburg (Breisgau), University, Diss., 2005.