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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter May 26, 2013

Charakterisierung von Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen mittels Elektronentomografie

Characterisation of fuel cell catalyst materials using electron tomography
  • Roman Grothausmann , Ingo Manke , Gerald Zehl , Iris Dorbandt , Peter Bogdanoff , Sebastian Fiechter , Manfred P. Hentschel , Axel Lange , Andreas Kupsch , André Hilger and John Banhart
From the journal Materials Testing

Kurzfassung

Zur Optimierung moderner Katalysatoren für Brennstoffzellen werden diese elektronen-tomografisch charakterisiert. Die Elektronentomografie ermöglicht einzigartige Einblicke in die Nanometer-Strukturen der metallischen Katalysatorpartikel, die auf einem elektrisch leitenden, inerten Kohlenstoffträger abgeschieden werden. Die dreidimensional bildgebende Methode ermöglicht über qualitative Untersuchungen hinaus detaillierte quantitative Form- und Strukturanalysen der Katalysatormaterialien. So werden beispielsweise die Positionen der Katalysatorpartikel relativ zum Trägermaterial analysiert. Ihre Form und Einbettung in den Träger, welche die für die katalytische Reaktion maßgebliche „freie Oberfläche“ definieren, werden bestimmt. Die Elektronentomografie ermöglicht somit quantitative Vergleiche zwischen verschiedenen Katalysatormaterialien und Herstellungsverfahren. Sie erweitert die Möglichkeiten der Korrelation gewünschter elektrochemischer Eigenschaften mit der Nanostruktur dieser Materialien und macht so weitere Optimierungen der Katalysatormaterialien möglich.

Abstract

In order to optimize catalysts for fuel cells they are characterized by electron tomography. This method provides unique insights into the nanometre structures of the metallic catalyst particles deposited on an electrically conducting inert carbon support. The three-dimensional imaging method does not only allow for qualitative investigations, but also for detailed quantitative shape and structure analysis of the catalyst. For example the positions of the catalytic particles are analysed with respect to the support material. Their shape and embedding into the support are evaluated which substantially define the technologically important “free surface” of the catalytic particles. Electron tomography therefore enables quantitative comparison between catalytic materials from different preparation processes or production lines. It contributes to decipher the relationship between electrocatalytic properties and structural features of the nano scaled materials and is therefore a base for further optimization of the catalyst materials.


Dipl.-Phys. Roman Grothausmann, geb. 1981, studierte Physik an der Universität Regensburg und am Trinity College Dublin (2001-2007). In den Nebenfächern Physik in der Medizin und Naturwissenschaftliche Informatik sammelte er Wissen zur Tomografie und zur digitalen Bildverarbeitung. Im Rahmen seiner Diplomarbeit arbeitete er im TEM- Labor von Prof. J. Zweck an der In-situ- Elektronenstrahldeposition von Leiterbahnen im Transmissionselektronenmikroskop. Seit 2008 promoviert er am Helmholtz- Zentrum Berlin (HZB) im Institut für angewandte Materialforschung im Bereich der Elektronentomographie.

Dr. rer. nat. Ingo Manke ist Leiter der Fachgruppe „Bildgebende Verfahren“ am HZB. Er promovierte 2002 in Experimentalphysik auf dem Gebiet der Bildgebung mit Rastersondenverfahren. Seine aktuellen Forschungsfelder sind Entwicklung von bildgebenden Verfahren basierend auf Röntgenstrahlen, Neutronen und Elektronen sowie deren Anwendungen in der grundlagenorientierten und angewandten Materialforschung.

Dr. rer. nat. Gerald Zehl studierte Chemie an der Universität zu Woronesh und beschäftigt sich seitdem mit der Entwicklung und Charakterisierung von Übergangsmetall-Trägerkatalysatoren. Nach seiner Promotion an der HU Berlin entwickelte er ein katalytisches Verfahren für die Entsorgung von FCKW. Seit 2005 ist er am HZB mit der Entwicklung von Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen und für die photokatalytische Erzeugung von Wasserstoff befasst.

Dipl.-Ing Iris Dorbandt, geb. 1968, studierte nach ihrer Ausbildung zur Chemisch-technischen Assistentin in der Zeit von 1988 bis 1992 Chemieingenieurswesen an der Beuth Hochschule für Technik Berlin. Seit 1998 ist sie als Ingenieurin am Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien angestellt und mit der Entwicklung von Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion befasst.

Dr. rer. nat. Peter Bogdanoff studierte an der TU Berlin Chemie und promovierte 1990 am Max-Volmer-Institut auf dem Gebiet der biophysikalischen Chemie. Am HZB leitet er die Arbeitsgruppe (Photo-)Elektrokatalyse am Institut „Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien“ und befasst sich mit (Photo-)Elektrokatalysatoren für die direkte Wandlung von Lichtenergie in chemische Energie sowie für die Sauerstoffreduktion in PEM-Brennstoffzellen.

PD Dr. rer. nat. Sebastian Fiechter, Jahrgang 1954, studierte Mineralogie und Kristallographie an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Er promovierte dort 1982 und leitete ein Labor zur Entwicklung neuer Materialien für Dünnschichtsolarzellen und Elektrokatalysatoren. 2004 habilitierte er an der TU Berlin und ist seit 2008 kommissarischer Direktor des Instituts für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien des HZB.

Prof. Dr. rer. nat. Manfred P. Hentschel, Jahrgang 1943, studierte Physik an der Freien Universität Berlin, wo er 1981 promovierte. Seit 1987 ist er Mitarbeiter der BAM im Bereich Zerstörungsfreie Prüfung. Dort leitete er bis zu seiner Pensionierung 2008 die Arbeitsgruppe „Röntgen-Streu-Topographie“, in der bildgebende Röntgenstreuverfahren für die Charakterisierung heterogener Werkstoffe entwickelt und eingesetzt werden. Er erhielt die Röntgen-Plakette des Jahres 2000 und ist Honorarprofessor der Technischen Universi- tät Berlin.

Dipl.-Phys. Axel Lange, Jahrgang 1948, studierte Physik an der Technischen Universität Berlin. Nach mehrjähriger Tätigkeit in der Grundlagenforschung mit Röntgenstreuverfahren wurde er 1987 Mitarbeiter der BAM, wo er in der Arbeitsgruppe „Röntgen-Streu-Topographie“ wesentlich an der Entwicklung neuer rechnergestützter Röntgentopographie-Verfahren beteiligt ist. Er hat den neuen Directt-Algorithmus in seinen Grundlagen selbstständig entwickelt und in zahlreichen Programmierungen realisiert.

Dr. rer. nat. Andreas Kupsch, Jahrgang 1968, studierte Physik an der Technischen Universität Dresden, wo er 2004 promovierte. Seit 2004 ist er Mitarbeiter der AG „Röntgen-Streu-Topographie“ an der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Zu seinen Arbeitsgebieten zählen neben der Computer-Tomographie die Nutzung der Röntgenbeugung für Sicherheitstechnologien sowie die Anwendung der Terahertz-Technik in der ZfP.

Dipl.-Ing. André Hilger studierte physikalische Technik und war nach dem Diplom von 2001 bis 2006 technischer Angestellter am HZB sowie an der Technischen Fachhochschule Berlin. Seit seinem Master-Abschluss 2006 ist er für die technische Entwicklung der Neutronen-Tomographie am HZB verantwortlich und promoviert dort auf dem Gebiet der „Tomographie mit spinpolarisierten Neutronen“.

Prof. Dr. rer. nat. John Banhart ist seit 2002 Leiter der Abteilung „Werkstoffe“ und Professor am Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien an der TU Berlin und war von 2005 bis 2009 Leiter des Bereichs Strukturforschung am HZB. 1991 bis 2001 arbeitete er am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung Bremen und habilitierte 1998 in Festkörperphysik an der Universität Bremen.


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Online erschienen: 2013-05-26
Erschienen im Druck: 2010-10-01

© 2010, Carl Hanser Verlag, München

Downloaded on 19.4.2024 from https://www.degruyter.com/document/doi/10.3139/120.110174/html
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