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)

Laufzeit
Projektstart: 11/2018
Projektende: 10/2021

Forschungsbereiche
Chemische Festkörper- und Oberflächenforschung

Zuletzt aktualisiert 2021-04-01 um 17:48