Die Elektrochemische Bipolare Membrane: Ein Neuer Ansatz Zum Aufrechterhalt von pH-Gradienten, Wenn Elektroorganische Reaktionen an Anode und Kathode Gekoppelt Werden.

• Antragsteller: Dr. Christoph Bondü
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540350221

Es ist von hohem Interesse die elektrochemische Oxydation von Aldehyden (an der Anode) an die elektrokatalytische Hydrierung von Ketonen (an der Katode) zu koppeln. Dazu muss der pH Gradient zwischen alkalischem Anolyt und saurem Katholyt erhalten bleiben, während ein Ionenstrom zwischen Anode und Kathode ermöglicht wird. Ionomerbasierte bipolarer Membranen, die in der Wasserelektrolyse eingesetzt werden können, leiden unter einem erhöhten Wiederstand in der Anwesenheit organischer Verbindungen, was bei einer elektro-organischen Elektrolyse einen schweren Nachteil darstellt. Um dieses Problem zu überwinden, entwickeln wir in unserem Project eine konzeptionell neuartige „elektrochemische bipolare Membrane“ und bedienen uns dabei der Prinzipien der bipolaren Elektrochemie und der Gasdiffusionselektrode (GDE). In diesem Projekt konstruieren wir eine elektrochemische bipolare Membrane aus zwei kurzgeschlossenen GDEs und platzieren sie so, dass Anolyt und Katholyt räumlich getrennt werden. Wie jedes leitende Objekt, das im elektrischen Feld zwischen Anode und Kathode platziert wird, wird auch die kurzgeschlossenen GDEs polarisiert und dadurch zu einer bipolaren Elektrode. Bei ausreichender Polarisation wird an der GDE im Anolyten Wasser in OH- und H2 gespalten, wobei letzterer in die Gasphase transferiert wird. H2 diffundiert dann zu der GDE im Kathodenraum, wo er oxidiert und als H+ in den Katholyten abgeben wird. Die dabei entstehenden Elektronen werden an die GDE im Anodenraum zurückgeleitet und dort für die Wasserstoffentwicklung verwendet. Auf diese Weise findet sowohl ein Ladungs- (Elektronen) als auch ein Stoffaustausch (H2) zwischen Anoden und Kathodenraum statt, der dazu führt das H+ selektive an den Katholyten und OH- an den Anolyten abgeben wird. Um eine effektive elektrochemische bipolare Membran zu erhalten muss eine hohe elektrische Leidfähigkeit der GDEs, ein niedriger Ladungsdurchtrittswiderstand für Wasserstoffentwicklung und Oxidation sowie ein niedriger Diffusionswiederstand für Wasserstoff sichergestellt werden. Daher entwickeln wir in unserem Project eine Methode zur Erzeugung dünner, poröser Metallfilme, die eine hohe Leitfähigkeit für Elektronen und H2 aufweisen. Zudem identifizieren Elektrokatalysatoren die auch in Gegenwart von organischen Verbindungen einen geringen Ladungsdurchtrittswiderstand für Wasserstoffentwicklung und Oxidation aufweisen. Daran anschließend, bestimmen wir in einer komparativen Studie mittel Impedanzspektroskopie die Leitfähigkeit der mit den ausgewählten Verfahren und Katalysatoren hergestellten Membranen und vergleichen diese mit der ionomerbasierter Membranen. Zudem zeigen wir, dass die elektrochemische bipolare Membran eine Alternative zu ionomerbasierten Membranen darstellt. Dazu koppeln wir in einer Elektrolysezelle unter Einsatz der elektrochemischen bipolaren Membran die Hydrierung von Ketonen an die Oxidation von Aldehyden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen