Hocheffiziente poröse Elektroden aus nanokristallinen Metall-Metalloid-Pulverschichten mittels Kurzzeitsintern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd Kieback
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280304894

Für eine großtechnische Erzeugung von Wasserstoff als Grundlage für einen CO2-freien Energie-kreislauf wird die alkalische Wasserelektrolyse als eine Schlüsseltechnologie angesehen. Um eine Erhöhung des Wirkungsgrads und damit der Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen voranzutreiben, ist eine konsequente Weiterentwicklung aller Systemkomponenten und insbesondere der verwendeten Elektrodenmaterialien und ihrer Fertigungsprozesse unerlässlich. Hocheffiziente gasentwickelnde Elektroden erfordern eine hohe mechanische Stabilität, eine definierte oberflächennahe Porosität sowie eine hohe intrinsische elektrokatalytische Aktivität, die durch eine günstige chemische Zusammensetzung sowie einen möglichst nanostrukturierten, defektreichen Werkstoffzustand erreicht werden kann. Insbesondere amorphe und nanokristalline Legierungssysteme auf Fe- oder Ni-Basis mit u.a. Zusätzen von Co, Mo, Si, B zeichnen sich durch eine erhöhte elektrokatalytische Aktivität aus. Die Kurzzeitsintertechnologie, Spark-Plasma-Sintern (SPS/FAST), kann genutzt werden, um nanokristalline metallische Halbzeuge zeiteffizient und ressourcenschonend zu erzeugen. Weiterhin ist der positive Effekt einer rauen bzw. porösen Oberfläche auf die Elektrodeneffektivität, aufgrund der Vergrößerung der Probenoberfläche sowie ein optimiertes Gasblasenmanagement, bekannt. In diesem DFG-Projekt soll die Erweiterung der SPS/FAST Technologie auf dünne poröse nanokristalline Metallschichten, die mit metallischen Substratmaterialien verbunden sind, die Möglichkeit eröffnen, hocheffiziente gasentwickelnde Elektroden anforderungsgerecht zu realisieren. Es sollen elektrokatalytisch aktive Schichten basierend aus nanokristallinen Metall-Metalloid-Pulver (MMP) mit definierter Dicke und Porosität erzeugt werden, die die Vorteile von nanokristallinen, defektreichen Materialien und rauer, poröser Oberflächenstrukturen gleichzeitig mit einer ausreichenden mechanischen Stabilität kombinieren. Die Aufklärung von Zusammen-hängen zwischen den Kurzzeitsinterverhalten und den strukturellen Eigenschaften der MMP-Schicht (Korngröße, Porosität, Phasen- und Sinterhalsausbildung) soll durch systematische Parametervariation (Druck, Temperatur, Aufheizrate und Haltezeit) untersucht und hinsichtlich ausreichender Schicht-Substrat-Grenzflächenfestigkeit bewertet werden. Darauf aufbauend soll die elektrokatalytische Aktivität sowie die Langzeitbeständigkeit des gesinterten MMP-Schicht-Substrat-Verbundes in Abhängigkeit von den MMP-Schichteigenschaften aufgeklärt werden. Aus den so erreichbaren Ergebnissen und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden wertvolle Hinweise und Schlussfolgerungen für hocheffiziente und langzeitstabile Elektroden für eine nachhaltige Wasserelektrolyse, aber auch für andere elektrochemische Gaserzeugungsprozesse erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Christian Müller