Sauerstoff-Elektrokatalysatoren aus Ni/Fe-basierten MOF und Legierungen mittels kombinatorischem Materialansatz

Die Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (AEMEL) gilt seit kurzem als vielversprechender Wasserelektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff. Sie weist die gleichen Eigenschaften wie der alkalische Wasserelektrolyseur (AEL) auf, hat jedoch dank des geringeren ohmschen Widerstands der AEMEL den zusätzlichen Vorteil höherer Betriebsstromdichten. Im Vergleich zum Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur (PEMEL) benötigt der AEMEL hingegen keine kritischen Materialien wie Pt-basierte Kathoden, Titanelektroden oder Anoden aus seltenen Erden wie Ir und Ru-Oxid. Darüber hinaus stützt sich PEMEL derzeit auf fluorbasierte Polymermembranen, die aufgrund der Fluorkohlenwasserstoffgasemissionen in der Tetrafluorethylen-Verarbeitungsphase eine starke Umweltbelastung darstellen. Im Gegensatz zu PEMEL wird bei der Entwicklung von Membranen für AEMEL meist kein Fluor verwendet.

Dennoch befindet sich die technologische Reife von AEMEL noch in der Entwicklung, und kommerziell verfügbare AEMEL-Produkte sind aufgrund ihrer im Vergleich zu den etablierteren Technologien AEL und PEMEL geringeren Leistung noch nicht auf dem Markt erhältlich. Die meisten der heute für AEMEL verwendeten Materialien wurden von PEMEL und/oder AEL übernommen und nicht speziell für AEMEL entwickelt. Es gibt noch keinen Konsens über die modernsten Materialien für AEMEL (z. B. Katalysatoren usw.), sodass noch viel Raum für weitere Forschung und Entwicklung besteht.

Das Herzstück von AEMEL sind die Elektrokatalysatoren, in denen die Spaltung von Wasser in H₂- und O₂-Gase stattfindet. Die Elektrokatalysatoren bestehen nicht aus wertvollen, seltenen oder edlen Elementen, was AEMEL attraktiv macht. Die Wasserelektrolyse kann unter Verwendung von Ni-Legierungs-Elektrokatalysatoren für sowohl H₂- als auch O₂-Gasentwicklungsreaktionen durchgeführt werden, wobei einige Modifikationen erforderlich sind, um sie an das gewünschte Gasprodukt anzupassen. So wurde beispielsweise ein Ni-Legierungs-Elektrokatalysator bereits für die H₂-Entwicklungsreaktion verwendet, während eine Ni-Fe-Co-Legierung als Katalysator für die O₂-Entwicklung eingesetzt wurde.

Die größte Herausforderung beim Betrieb von AEMEL ist die träge O₂-Entwicklungsreaktion an der Oberfläche der Anode, die im Vergleich zu AEL und PEMEL zu einer geringeren Wasserelektrolyseeffizienz führt. Die hochmoderne Ni-Fe-Legierungsanode muss möglicherweise weiter verbessert oder ersetzt werden, um die O₂-Entwicklungsreaktionsrate zu steigern und damit die AEMEL-Leistung zu verbessern.

Projektziele

Das Projektziel besteht darin, einen O₂-Elektrokatalysator zu untersuchen und zu entwickeln, der aus neuartigen MOF-basierten und MOF-gestützten/gemischten/funktionalisierten NI-Legierungs-Elektrokatalysatoren für AEMEL mit geringen Kapital- und Betriebskosten, hoher Leistung, hoher Haltbarkeit und geringer Umweltbelastung besteht. OxyCAT erwartet ein AEMEL-Gerät mit Ni-basiertem und/oder MOF-basiertem Elektrokatalysator, das die folgenden Eigenschaften aufweist:

1. Stromdichte: mehr als 10 mA/cm² bei 1,8 Volt
2. Überpotenzial: 200 – 400 mV.
3. KOH- und/oder K₂CO₃-Konzentration von 0,1 M bei einer Temperatur von 60 °C.
4. Ni-Legierung mit einem anderen Legierungselement und einer anderen Zusammensetzung, bestimmt durch die kombinatorische Materialmethode.

Innovationen

Die Erhöhung der O₂-Entwicklungsreaktionsrate kann mit dem Materialproblem zusammenhängen, beispielsweise mit der nicht optimierten Zusammensetzung des Ni-Legierungs-Elektrokatalysators, um eine hohe O₂-Reaktionsrate zu fördern. Ein weiteres Problem kann auch die falsche Wahl der Legierungselemente oder der Oberfläche der Anode sein, die entweder durch Nanostrukturierung oder durch die Verwendung neuer Materialien mit hoher Oberfläche und katalytischen Eigenschaften, wie z. B. metallorganische Gerüste (MOFs), verbessert werden muss. Daher wird eine Reihe innovativer Untersuchungen vorgeschlagen, um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen:

1. Einsatz einer neuen Klasse von O₂-Elektrokatalysatoren auf Basis von metallorganischen Gerüsten (MOFs) und Derivaten als Anode in AEMEL.
2. Herstellung einer Reihe von Ni-Legierungen mit verschiedenen Legierungselementen, hauptsächlich Übergangsmetallen, durch kombinatorische elektrochemische Abscheidung von Ni mit Legierungselementen aus Ce, Co, Cr, Fe, Zn, Mo und Sn.
3. Funktionalisierung oder Vermischung des hochmodernen NI-Legierungs-Elektrokatalysators mit MOFs.
4. Direktes MOF-Wachstum auf NI-Legierung.
5. Herstellung einer Mischung aus Membran und Elektrokatalysator (Ni-Fe-Legierung und/oder MOFs) bei der Herstellung/Montage des AEMEL-Geräts.

Rolle des AIT

Entwicklung von Ni-basiertem geschichtetem Doppelhydroxid (LDH) durch Hochdurchsatzverarbeitung der kombinatorischen elektrochemischen Abscheidung für Anoden-/Sauerstoffentwicklungsreaktionskatalysatoren.

Projektergebnisse

Förderung