Edelmetallfreie bifunktionelle Sauerstoffkatalysatoren für reversible Meerwasser Elektrolyseure

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Strasser
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315473909

Die Fluktuation steigender erneuerbarer Energiekapazitäten basierend auf Sonne und Wind lässt auch den Bedarf an molekular-stofflicher Speicherung von Elektrizität stetig steigen. Wasserstoff aus Elektrizität und Wasser, gilt als die vielversprechendste Möglichkeit. Konventionelle Wasserspaltung wird mit vorbehandeltem Frischwasser durchgeführt. Für viele Regionen der Erde wäre die direkte effiziente Wasserspaltung von unbehandeltem, salzhaltigem Meerwasser vorteilhafter. Durch reversible Meerwasserelektrolyseure, die sowohl Meerwasser in Wasserstoff spalten, als auch den Wasserstoff in Elektrizität und Frischwasser rück-umwandeln können, wäre eine autarke Energie- und Frischwasserversorgung möglich. Dazu bedarf es der Entwicklung geeigneter bifunktioneller Elektrokatalysatoren und Elektrolyseure für reversible Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden. Solche Katalysatoren wurden bislang noch nicht erforscht. Für diese Aufgabe soll im Rahmen des Projekts im Bereich der Grundlagenforschung die Sauerstoffelektrode im Fokus stehen. Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Identifizierung und das molekulare Verständnis des Zusammenhangs von Struktur und des katalytischen Verhaltens neuartiger, edelmetallfreier, bifunktioneller Elektrokatalysatoren zur regenerativen Meerwasserspaltung für den Einsatz in reversibel arbeitenden membranbasierten Elektrolyseuren.Zur Erreichung dieses Ziels wird das Konzept der Zwei-Komponenten-Katalysatorsysteme erforscht werden, um bifunktionale Reaktionszentren an der Oberfläche der Katalysatoren zu erhalten, wobei die jeweiligen Komponenten jeweils für die Meerwasserspaltung und für die Rückumwandlung von Wasserstoff in Elektrizität und Frischwasser zuständig sind. In Vorversuchen wiesen solche heterogenen Mischzentren hervorragende bifunktionelle Aktivitäten auf. Ihr molekularer Mechanismus und die Materiallimitierungen sind aber noch unerforscht. Elektrochemische Untersuchungsmethoden zur Aktivität und Stabilität sollen mit strukturaufklärenden Methoden kombiniert und ausgewertet werden, um Synthese-, Struktur-, Reaktivitäts- und Selektivitätsbeziehungen aufzustellen. Der verstärkten aggressiven Chlorid Korrosion werden detaillierte Degradationsanalysen gewidmet. Abschließend soll das neue Verständnis der Katalysatoren in Einzelzellelektrolyseursystemen überprüft werden. Das Projekt wird hier auch neue Erkenntnisse im Bereich der alkalischen Ionomer-Katalysator-Reaktant Dreiphasen-Grenzschicht liefern. Ein breites materialwissenschaftliches Analysemethodenspektrum zur Struktur, Ladungstransport, Stabilität und Aktivität der neuen Katalysatormaterialien wird grundlegende Einsichten aber auch erste Impulse für eine erfolgreiche Systemimplementierung liefern. Das Projekt stellt insgesamt einen fundamentalen Beitrag zur Materialwissenschaft erneuerbarer Energiespeicherung dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Detre Teschner