Non-precious bifunctional oxygen catalysts for regenerative seawater electrolyzers

• Applicant: Professor Dr. Peter Strasser
• Subject Area: Technical Chemistry ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2016 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 315473909

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden Übergangsmetalloxid‐basierte Katalysatoren hinsichtlich der selektiven, reversiblen Meerwasserspaltung untersucht. Die hergestellten Materialien innerhalb von einfachen RDE Experimenten und Vollzellmessungen hinsichtlich der elektrokatalytischen Sauerstoffevolutions‐ und Sauerstoffreduktionsreaktion evaluiert. Es konnte gezeigt werden, dass zwei unabhängige aktive Zentren vorteilhaft sind, um OER und ORR zu katalysieren. Nickel Eisen oxide als Layered‐Double‐Hydroxides (LDH) haben sich dabei als aktivste Katalysatoren hinsichtlich der OER und Kohlenstoff geträgerte Kupfer dotierte Manganoxide als aktivstes Materialien für die ORR in alkalischen Elektrolyten erwiesen. Untersuchungen der elektrochemischen Aktivität sowie Stabilität im RDE Maßstab haben gezeigt, dass ein Katalysatorsystem bestehend aus NiFe‐LDH/Kohlenstoffträger/Cu‐α‐MnO2 bessere elektrokatalytische Eigenschaften aufweist als kommerzielle Edelmetall‐ referenzkatalysatoren. Durch chemische Modifikationen der OER aktiven Spezies sowie des Trägermaterials konnte ein Katalysatorsystem erzeugt werden welches ein Gesamtüberpotential von 0.68 V für Zielstromdichten von 10 mA cm‐2 (OER) und ‐3 mA cm‐2 (ORR) aufweist. Rein Kohlenstoffbasierte Katalysatoren haben sich als nachteilig erwiesen, da aufgrund von Kohlenstoffkorrosion bei OER relevanten Potentialen die aktiven Zentren zu schnell korrodieren. Darüber hinaus, war es nicht möglich ausreichend befriedigende Vollzellmessungen eines reversiblen Elektrolyseurs durchzuführen. Dies ist aufgrund der sehr harschen Bedingungen und großen Potentialbereichs (0.2 V – 2.2 V) auf die Degradation jeder einzelnen Zellkomponente zurückzuführen. Das Katalysatormaterial welches für die Sauerstoffelektrode eingesetzt ist aufgrund der erheblichen Potentialdifferenzen Oxidations‐ sowie Reduktionsmechanismen ausgesetzt, die zu einer signifikanten Degradation führen. Die Membran erfährt aufgrund der Hoffmann‐Eliminierung eine Deaktivierung durch den Abbau der funktionellen OH‐ leitenden Gruppen. Darüber hinaus stellt die stattfindende Umpolung, einhergehend mit der Änderung der Wanderungsrichtung der OH‐ eine Herausforderung für die Membran dar. Zusätzlich ist das Wassermanagement, welches für Elektrolyseur und Brennstoffzelle völlig unterschiedliche Voraussetzungen und Ansprüche hat ein weiterer Punkt, welcher weiterer Optimierung bedarf. Dennoch zeigen die innerhalb dieses Projektes durchgeführten Studien, dass ein reversibler Meerwasserelektrolyseur ein technologisch erstrebenswertes, sowie realistisches Ziel ist. Hierbei sollte allerdings neben der Entwicklung eines effizienten Katalysatorsystems, die Forschung an einer stabilen und selektiv OH‐ leitenden Membran sowie des Wassermanagements innerhalb der aktiven Schichten in den Fokus der Forschung rücken.

Publications

• Catalyst Particle Density Controls Hydrocarbon Product Selectivity in CO2 Electroreduction on CuOx, ChemSusChem 10 (22), 4642‐4649 (2017)
  Xingli Wang, Ana Sofia Varela, Arno Bergmann, Stefanie Kühl, and Peter Strasser
  
• Tracking Catalyst Redox States and Reaction Dynamics in Ni–Fe Oxyhydroxide Oxygen Evolution Reaction Electrocatalysts: The Role of Catalyst Support and Electrolyte pH, J. Am. Chem. Soc. 139 (5), 2070–2082 (2017)
  Mikaela Görlin, Jorge Ferreira de Araujo, Henrike Schmies, Denis Bernsmeier, Sören Dresp, Manuel Gliech, Zenonas Jusys, Petko Chernev, Ralph Kraehnert,Holger Dau, and Peter Strasser
  
• Direct Electrolytic Splitting of Seawater: Activity, Selectivity, Degradation, and Recovery Studied from the Molecular Catalyst Structure to the Electrolyzer Cell Level, Adv. Energy Mater. 8 (22), 1‐11 (2018)
  Sören Dresp, Fabio Dionigi, Stefan Loos, Jorge Ferreira de Araujo, Camillo Spöri, Manuel Gliech, Holger Dau, and Peter Strasser
  
• Katalysatormaterial für eine Brennstoffzelle und Elektrolysesystem, sowie Herstellungsverfahren Patent 17058/TUB
  Sören Dresp, Malte Klingenhof, and Peter Strasser
  
• Non‐Noble Metal Oxides and their Application as Bifunctional Catalyst in Reversible Fuel Cells and Rechargeable Air Batteries, ChemCatChem 10 (18), 4162‐4171 (2018)
  Sören Dresp and Peter Strasser
  
• An efficient bifunctional two‐component catalyst for oxygen reduction and oxygen evolution in reversible fuel cells, electrolyzers and rechargeable air electrodes, Energy and Environmental Science, 9, 2020, (2016)
  Sören Dresp, Fang Luo, Roman Schmack, Stefanie Kühl, Manuel Gliech, and Peter Strasser
  
• Electrolysis of low‐grade and saline surface water. Nature Energy 2020
  Tong, W.; Forster, M.; Dionigi, F.; Dresp, S.; Sadeghi Erami, R.; Strasser, P.; Cowan, A. J.; Farràs, P.