Atomar dünn beschichtete poröse Elektroden als neuartige Katalysatoren für die Wasser-Elektrolyse

Wasserstoffbasierte Technologien der elektrochemischen Stoff- und Energieumwandlung
können einen wesentlichen Beitrag bei der Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien
liefern und damit zur Erreichung der klimapolitischen Ziele der Bundesregierung im
Rahmen der Energiewende beitragen. Sie können mithelfen, eine künftige umweltschonende,
zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung aufzubauen. Kernkomponenten
einer solchen Technologie sind effiziente und stabile Katalysatormaterialien für die Wasserstoffproduktion
mittels Elektrolyse. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades von Katalysatoren,
eine Verringerung ihrer Kosten und eine optimierte Katalysatorproduktion können
zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen führen.
Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung neuartiger Elektroden für die
Wasserstofferzeugung sowie von optimierten Methoden der Produktion der darin enthaltenen
Katalysatoren. Das Projekt konzentriert sich auf die typischerweise limitierende
Teilreaktion der Wasserelektrolyse, die sogenannte Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion
(OER). Verbesserte Effizienz sowie ein deutlich geringerer Gehalt an katalytisch aktivem
Edelmetall sollen durch eine definierte Strukturierung der Elektroden erreicht werden.
Diese Strukturierung trennt gezielt die verschiedenen Materialfunktionen auf in Oberflächenprozesse
(katalytische Reaktion, Degradation) und Prozesse die vom Volumen des
Materials kontrolliert werden (Leitfähigkeit, Stabilität, Porensystem). Die neuartigen Katalysatoren
sollen aus einer mehrere Atomlagen dünnen und katalytisch aktiven Metalloxidschicht
bestehen, welche homogen und oberflächenkonform auf den Porenwänden
eines leitfähigen Trägermaterials (metalldotiertes TiO2 sowie Metallkarbide)
aufgebracht ist. Die Eigenschaften der Katalysatoren sollen in Bezug auf die Beschichtung
(Zusammensetzung, Dicke, Multimetalloxide) und den porösen Träger (Zusammensetzung,
Leitfähigkeit, Porengröße, Wandstärke) kontrolliert einstellbar sein. Durch geschickte
Wahl von Oberflächen- und Volumenmaterial sollen zusätzliche Synergieeffekte
erzielt werden (elektronische Modifikation der Schicht; Schutzwirkung gegen Degradation
des Trägers).
Virtuelle ab-initio Screenings mittels quantenchemischer Berechnungen (DFT) sollen
vorab aus einer Vielzahl möglicher Strukturen und Zusammensetzungen diejenigen auswählen,
die in Bezug auf Aktivität, Stabilität und Leitfähigkeit optimale Eigenschaften versprechen.
Die ausgewählten Materialien werden durch zwei geeignete präzise Präparationsmethoden
hergestellt: i) die Synthese kontrolliert poröser Metalloxide und
Metallkarbide ("nanocasting") und ii) die atomlagengenaue und oberflächenkonforme Beschichtung
dieser porösen Systeme ("Atomic Layer Deposition"). Die entwickelten Katalysatoren
werden in PEM Elektrolyseure integriert und einzeln sowie als Teil des Gesamtsystems
getestet. Basierend auf einem Verständnis der Katalysatoreigenschaften
und der Syntheseprozesse werden verbesserte Verfahren der Produktion von Katalysatoren
und Katalysatorvorstufen im technischen Maßstab entwickelt und deren Wirtschaftlichkeit
entlang der gesamten Wertschöpfungskette abgeschätzt.
Ausgehend vom Forschungs- und Entwicklungsbedarf des Katalysatorherstellers
UMICORE vereint das Vorhaben Expertise aus allen wichtigen Bereichen der Katalysatorforschung
wie quantenchemische Berechnungen (AG Bredow) und Katalysatorsynthese
(AG Pinna, AG Krähnert) sowie spektroskopische Untersuchungen (AG Emmerling).
Die enge Einbindung und langjährige Erfahrung der UMICORE AG auf dem Gebiet der
Katalysatorentwicklung und -produktion bietet optimale Voraussetzungen für eine erfolgreiche
anwendungsorientierte Grundlagenforschung. Die im Projekt verfolgte Integration
quantenchemischer Screening-Methoden in die Entwicklung neuer Katalysatoren und
Verfahren der Katalysatorproduktion betritt absolutes Neuland. Der Ansatz ist wegweisend
für die Zukunft der industriellen Katalysatorentwicklung in Deutschland.

Projektleitung
Pinna, Nicola Prof. Dr. (Details) (Anorganische Chemie und funktionale Materialien)

Mittelgeber
BMBF

Laufzeit
Projektstart: 11/2018
Projektende: 10/2021

Forschungsbereiche
Chemische Festkörper- und Oberflächenforschung

Zuletzt aktualisiert 2020-01-06 um 19:37