Suche nach neuartigen Elektrodenmaterialien für PEM Brennstoffzellen und Darstellung diskreter Gradientenbibliotheken mittels Inkjet-Printing-Techniken

Abstract

Die vorliegende Arbeit lässt sich in zwei unterschiedliche Themengebiete einteilen. Der erste Teil beschäftigt sich im Rahmen des BMWi-Projektes „NeoKarII“ mit der Suche nach neuartigen, oxidischen Elektrodenmaterialien für Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFC) in Kooperation mit der Umicore AG & Co. KG. Hierzu wurde eine hochdurchsatzgeeignete Synthesemethode entwickelt, welche die kombinatorische Darstellung von Mischmetalloxidbibliotheken als dünne Filme über Sol-Gel-Prozesse erlaubt. Weiterhin wurde ein Screeningsystem aufgebaut, welches die automatisierte Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit von Materialbibliotheken ermöglicht. Nach erfolgter Hochdurchsatzsynthese (HTS) und Screening wurden die gefundenen Treffer konventionell synthetisiert und charakterisiert, um so deren potentielle Eignung für die Anwendung in PEMFCs abschätzen zu können. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Methodenentwicklung zur Darstellung von diskreten Gradientenbibliotheken mittels Inkjet-Printing-Techniken am Beispiel heterogener Katalysatoren und elektrisch leitfähiger dünner Filme. Neben der Herstellung von geeigneten Materialtinten spielen die Substrate eine herausragende Rolle für die Entwicklung von HTS-Methoden.

In this thesis, we discuss two different subjects. First, in the BMWi project „NeoKarII“, we searched for novel, oxidic electrode materials for PEM fuel cells together with Umicore AG & Co. KG. Therefore, we developed a high-throughput synthesis method (HTS) allowing the combinatorial preparation of mixed metal oxide libraries as thin films employing sol-gel processes. In addition, we implemented a screening environment, which allowed us to collect the electrical conductivity of material libraries in an automated manner. After the HTS and screening, we focused on the conventional synthesis and characterisation of the hits to determine their potential of applicability in PEM fuel cells. Second, we developed a method for the preparation of discrete composition spreads using inkjet printing techniques. As examples, we chose heterogeneous catalysts and electrically conducting thin films. In addition to the development of suitable material inks for the inkjet printing process, the substrates also play a prominent role in the development of HTS methods. For the preparation of materials libraries of heterogeneous catalysts, we prepared and characterized porous substrates. The printing of electrically conducting films necessitated a surface modification, which allowed to create hydrophilic spots in a hydrophobic environment.