Elektrokatalyse: von der Synthese zum Bauteil
Forschungsthemen
Elektrochemische organische Oxidationsreaktion
Die elektrochemische organische Oxidation in der gepaarten Wasserelektrolyse ist ein nachhaltiger Ansatz zur Umwandlung von Abfallmaterialien wie Kunststoffen und aus Biomasse gewonnenen Verbindungen in wertschöpfende Vorläuferprodukte an der Anode und gleichzeitiger Verbesserung der Effizienz der Wasserstoffproduktion an der Kathode. Durch die Nutzung elektrischer Energie ermöglicht diese Methode die selektive Oxidation organischer Moleküle, die niedrigere elektrochemische Potenziale als die Wasseroxidation haben, wodurch wertvolle Chemikalien entstehen. Bei Kunststoffabfällen entstehen durch Hydrolyse und anschließende elektrochemische Oxidation nützliche Zwischenprodukte wie Succinat und Formiat. Ebenso können aus Biomasse gewonnene Moleküle wie Hydroxymethylfurfural (HMF) elektrochemisch zu hochwertigen Verbindungen wie 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) oxidiert werden, einem wichtigen Vorläufer für Biokunststoffe. Dieser Ansatz bietet nicht nur einen umweltfreundlicheren und energieeffizienteren Weg für die Aufbereitung von Abfällen in industriell relevante Chemikalien, sondern verbessert auch die Gesamteffizienz der Wasserstofferzeugung.
Brennstoffzellen
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM):
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) ist ein elektrochemisches Gerät, das Wasserstoff durch eine Redoxreaktion in Elektrizität umwandelt und dabei einen hohen Wirkungsgrad und keine Emissionen bietet. An der Anode spalten sich Wasserstoffmoleküle auf einem Elektrokatalysator in Protonen und Elektronen auf, wobei Protonen durch die Polymerelektrolytmembran wandern, während Elektronen durch einen externen Stromkreis wandern und so elektrischen Strom erzeugen. An der Kathode reagiert Sauerstoff aus der Luft mit Protonen und Elektronen unter Bildung von Wasser, dem einzigen Nebenprodukt. PEM-Brennstoffzellen werden bei 60–80 °C betrieben und bieten einen schnellen Start und eine hohe Leistungsdichte, was sie ideal für den Transport und stationäre Anwendungen macht. Zu den Herausforderungen gehören jedoch die langsame Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), die Kosten für Platinkatalysatoren und das Management der Membranhydratation. Die Forscher konzentrieren sich auf die Verbesserung der Katalysatoreffizienz, die Entwicklung langlebiger Membranen und die Optimierung des Wasser- und Wärmemanagements, um Leistung und Langlebigkeit zu verbessern. Fortschritte in diesen Bereichen sind der Schlüssel zur Kommerzialisierung von PEM-Brennstoffzellen für nachhaltige Energielösungen.
Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) in PEM-Brennstoffzellen:
Die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) findet an der Kathode statt, wo molekularer Sauerstoff (O₂) über einen mehrstufigen Vier-Elektronen-Transferprozess zu Wasser (H₂O) reduziert wird. In sauren PEM-Brennstoffzellen verläuft die ORR über einen Vier-Elektronen-Weg: O₂ wird auf der Katalysatoroberfläche (typischerweise auf Pt-Basis) adsorbiert, gefolgt von aufeinanderfolgenden Protonen- und Elektronentransferschritten, die zur Bindungsspaltung und Wasserbildung führen. ORR ist aufgrund der starken O=O-Bindung und des komplexen Reaktionsmechanismus von Natur aus träge und erfordert hochaktive Elektrokatalysatoren, um die Effizienz zu steigern und Überpotentialverluste zu reduzieren. Die Forschungsbemühungen konzentrieren sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Katalysatoren wie Pt-Legierungen und Nichtedelmetall-Alternativen, um die ORR-Kinetik zu verbessern und die Brennstoffzellenkosten zu senken.
Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER)
Die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) ist ein grundlegender elektrochemischer Prozess zur Erzeugung von Wasserstoffgas (H₂) aus Wasser und spielt eine entscheidende Rolle in nachhaltigen Energietechnologien wie Wasserelektrolyse und Brennstoffzellen. HER tritt an der Kathode eines Elektrolyseurs auf, wo Protonen (H⁺) in sauren Medien oder Wassermoleküle (H₂O) in alkalischen Medien zu Wasserstoffgas (H₂) reduziert werden. Effiziente HER-Katalysatoren, beispielsweise Materialien auf Platinbasis, reduzieren den Energieverbrauch und verbessern die Effizienz der Wasserstofferzeugung. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung kostengünstiger Hochleistungskatalysatoren zur Verbesserung der HER-Kinetik und -Stabilität für eine skalierbare Produktion von grünem Wasserstoff.
Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER)
Die Wasserspaltung durch Elektrolyse stellt einen vielversprechenden Weg zu nachhaltiger Energie dar und wandelt Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff um, um grünen Wasserstoff zu erzeugen. Von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses ist die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), ein entscheidender, aber anspruchsvoller Schritt, der derzeit die Effizienz von Wasserelektrolysesystemen einschränkt.
Die inhärent langsame Reaktionskinetik des OER stellt eine erhebliche technische Hürde dar. Um diesen Engpass zu überwinden, konzentriert sich die Forschung auf die Entwicklung fortschrittlicher Elektrokatalysatoren – Materialien, die die Reaktion beschleunigen können. Der ideale Katalysator muss eine hohe katalytische Aktivität aufweisen, unter Betriebsbedingungen eine Langzeitstabilität aufrechterhalten und für die kommerzielle Umsetzung kostengünstig sein.
Unsere Forschungsgruppe steht an vorderster Front dieser Herausforderung und entwickelt neuartige Elektrokatalysatoren für OER. Wir sind auf Übergangsmetalloxide und MXene-basierte Materialien spezialisiert, die ein vielversprechendes Potenzial für eine effiziente Sauerstoffentwicklung aufweisen. Diese fortschrittlichen Materialien kombinieren die robusten katalytischen Eigenschaften von Übergangsmetallen mit den einzigartigen strukturellen Vorteilen von MXenes und bieten neue Möglichkeiten für leistungsstarke Wasserspaltungssysteme.
Die Optimierung von OER-Katalysatoren ist unerlässlich, um Energieverluste zu reduzieren und die Wirtschaftlichkeit der Produktion von grünem Wasserstoff zu verbessern. Dieser Forschungsbereich stellt eine entscheidende Schnittstelle zwischen Materialwissenschaft und nachhaltiger Energietechnologie dar und hat wichtige Auswirkungen auf die breitere Einführung von Wasserstoff als sauberer Energieträger.
Elektrolyseure
Elektrolyseure sind für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion unerlässlich und ermöglichen die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrochemische Reaktionen. Unsere Forschung konzentriert sich auf Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure (AEM), die Entwicklung effizienter Katalysatoren und die Optimierung der Geräteleistung, um die Wasserelektrolysetechnologie voranzutreiben. In unserem Labor nutzen wir mehrere Elektrolyseur-Aufbauten, um die Aktivität, Stabilität und Systemeffizienz des Katalysators unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Zu unseren Einrichtungen gehören:
- Zwei AEM-Elektrolyseuraufbauten, ausgestattet mit Massendurchflussmessern zur präzisen Volumenmessung der produzierten Gase und Anpassung der Elektrolytdurchflussrate zur Analyse von Massentransporteffekten.
- Verschiedene Elektrolysezellen zur Katalysatorbewertung in unterschiedlichen Maßstäben:
- Zwei selbstgebaute Zellen (Fläche: 1 cm² und 4 cm²) für grundlegende Elektrokatalysatorstudien
- Zwei kommerzielle Zellen – eine 5 cm² große Dioxide Materials-Zelle und eine 6,25 cm² große redox.me-Zelle – ermöglichen Katalysatortests unter anwendungsrelevanten Bedingungen
- Herstellung von Membran-Elektroden-Baugruppen (MEA), bei der wir unsere Katalysatoren in selbst vorbereitete MEAs integrieren. Zur Leistungsbewertung setzen wir Membranen unterschiedlicher Anbieter ein.
- Infrastruktur für elektrochemische Tests mit einer Reihe von Potentiostaten zur detaillierten elektrochemischen Charakterisierung:
- Drei PalmSens4-Potentiostaten und ein vierkanaliger PalmSens-Multipotentiostat
- Ein Metrohm Autolab Potentiostat
- Zwei Potentiostaten von CH Instruments
- Zwei Zahner-Potentiostaten (Zennium Pro & Zennium E4) sowie ein Booster für Hochstromanwendungen (PP211)
Ein wichtiger Aspekt unserer Forschung ist die Verwendung von MXenen – insbesondere Ti₃C₂Tx, Ti₂CTx und V₂CTx – die in unsere Katalysatormaterialien integriert werden, um die elektrochemische Leistung von AEM-Elektrolyseuren zu verbessern. Die einzigartigen Eigenschaften von MXenen, wie ihre hohe Leitfähigkeit und einstellbare Oberflächenchemie, bieten erhebliche Vorteile für eine effiziente Wasserstoffproduktion. Durch die Kombination fortschrittlicher Katalysatorentwicklung mit MXenes und realen Elektrolyseurtests trägt unsere Forschung dazu bei, die Effizienz und Skalierbarkeit der Produktion von grünem Wasserstoff zu verbessern und den Übergang zu einer nachhaltigen Energiezukunft zu unterstützen.
Photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung
Die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung ist eine vielversprechende Methode für die nachhaltige Wasserstoffproduktion, indem Sonnenenergie genutzt wird, um die Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff voranzutreiben. Bei diesem Prozess handelt es sich um eine Fotoelektrode, typischerweise ein Halbleitermaterial, die Sonnenlicht absorbiert und Elektron-Loch-Paare erzeugt, die Redoxreaktionen an der Elektrodenoberfläche ermöglichen. Die Photokathode ermöglicht die Wasserstoffentwicklung, während die Photoanode die Sauerstoffentwicklung unterstützt. Die Effizienz der PEC-Wasserspaltung hängt von Faktoren wie Lichtabsorption, Ladungstrennung und katalytischer Aktivität ab. Die Forschungsbemühungen konzentrieren sich auf die Entwicklung stabiler und effizienter Materialien wie Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) und MXene-Hybride, um die Leistung von PEC-Zellen für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab zu verbessern.
Elektrochemische Wasserstoffpumpe
Eine elektrochemische Wasserstoffpumpe (EHP) ist eine Elektrolysezelle, die an der Kathode Wasserstoff unter hohem Druck erzeugt. Es nutzt eine Protonenaustauschmembran (PEM) in einer Zero-Gap-Konfiguration und wird über eine externe Stromversorgung mit Strom versorgt. An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, wodurch Protonen entstehen, die durch die PEM gelangen, während Elektronen an die Kathode geliefert werden, wo die Wasserstoffentwicklungsreaktion stattfindet und Wasserstoff entsteht. Da nur Protonen die ionenleitende Membran passieren, kann ein EHP auch zur Abtrennung von Wasserstoff aus Gasgemischen eingesetzt werden.
Der Prüfstand arbeitet bei Temperaturen von 30 °C bis 75 °C und einem maximalen Ausgangsdruck von 30 barg. Das EHP bietet die Flexibilität, mit Proben zu arbeiten, die eine geometrische Fläche von entweder 5 cm2 oder 25 cm2 haben. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Optimierung der Betriebsbedingungen für Spitzenleistungen und untersucht Metallkatalysatoren, die nicht zur Platingruppe gehören, für die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Kathode.