Flusselektrolysezellen mit kleinen Kathoden/Anoden Abständen und die Herausforderung der Wasserstoff-blasen - ein kombinierter Ansatz mittels Modellierung und Experiment

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Friederike Schmid; Professor Dr. Siegfried R. Waldvogel
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413163866

Für eine spätere Anwendung von elektrolytischen Umwandlungen im technischen Maßstab muss die angelegte Spannung für die Elektrolyse niedrig sein, um eine hohe Energieeffizienz zu gewährleisten. Ein Konzept, um dies anzugehen, ist es, den Abstand zwischen Anode und Kathodenoberfläche gering zu halten. Es wurde gezeigt, dass die Verwendung solch enger Spalte auch die Verwendung weniger leitfähigen Elektrolyten, wie z.B. organischer Medien, ermöglicht. In der Regel verursachen weniger Ionen auch einen geringeren Spannungsabfall an den Elektroden. Dies ist ein besonders wichtiger Aspekt, da die Weiterverarbeitung der Elektrolyte durch eine geringere Salzbelastung vereinfacht wird. Im Rahmen des geplanten Projekts wird die Modellierung eingesetzt, um die Mechanismen der Leitfähigkeit in dünnen Schichten bei niedriger Salzkonzentration oder in Abwesenheit von Salz zu untersuchen. Wir konzentrieren uns auf die Rolle des elektrischen Feldes - das in dünnen Schichten groß sein kann, auch wenn die angelegte Spannung klein ist - für die Molekularstruktur des Mediums, sowohl im Volumen als auch in der Nähe der Elektrodenoberflächen. Darüber hinaus werden wir den Einfluss elektrischer Felder auf die Dynamik und die Viskosität des Mediums untersuchen, um zu klären, wie dünn solche Zellen werden können, bevor Viskositätsprobleme und Stofftransport die Elektrolyse beeinträchtigen. Eine zweite Herausforderung innerhalb des Forschungsnetzwerks ist die Bildung von molekularem Wasserstoff beim Einsatz von Flusselektrolysezellen. Diese kathodische Reaktion ist in diesem Rahmen erwünscht, aber Durchflusszellen mit ungeteilter Zellgeometrie können aufgrund ihres erhöhten Volumens durch große Gasblasen blockiert werden. Daher ist der Wirkungsgrad solcher Zellen stark eingeschränkt. Hier werden zwei Ansätze verfolgt, um dieses allgemeine Problem in den Griff zu bekommen. Zum einen sollen unterstützende Tenside eingesetzt werden, die die Größe der Gasblasen begrenzen und zumindest einen noch leitfähigen Schaum erzeugen, der die Elektrolyse weiterhin unterstützt. Alternativ werden auch divergierende Elektrodenanordnungen getestet. Dieser Teil wird auch durch Modellierungsstudien unterstützt. Eine Alternative ist die Verwendung von sehr dünnen Palladiumfolien auf Trägerstrukturen, um den Wasserstoff hinter der Kathode zu entfernen, ohne den engen Spalt für die gewünschte Elektrolyse zu beeinträchtigen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2982: UNODE - Ungewöhnliche Anodenreaktionen