Mikroelektrochemische Untersuchung der Sauerstoff- und CO2 Reduktion an Gasdiffusionselektroden

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Schuhmann
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276655287

Die Anwendung der Silber/PTFE Gasdiffusionselektroden (GDE) soll während der zweiten Förderperiode über die Sauerstoffreduktion und Anwendung in der Chlor-Alkali-Elektrolyse hinaus erweitert werden. Wir konnten bereits herausstellen, dass elektrochemische Reaktionen wie die Sauerstoffreduktion, bei der Hydroxidionen entstehen, einen bisher nicht berücksichtigen Einfluss auf die lokale Umgebung der Elektrodenoberfläche haben können. Dabei wird erwartet, dass die lokale Aktivität der Hydroxidionen steigt, während die Wasseraktivität sinkt, was dazu führt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit abnimmt, hervorgerufen durch einen höheren lokalen pH Wert bzw. veränderte Löslichkeiten. Wir wollen die im Koordinationsprojekt (KO) und in TP1 (Turek) hergestellten Elektroden für die elektrochemische Reduktion von CO2 nutzen, und die Sauerstoffreduktion als Modulator für die Kohlenstoffdioxidreduktion (CO2RR) einsetzen. Es ist zu erwarten, dass an Silberelektroden Kohlenmonoxid als primäres Produkt entsteht, jedoch überlagern sich die Potentiale von CO2RR und Wasserstoffevolution (HER), sodass stets ein Gemisch aus H2 und CO beobachtet wird. Wir gehen davon aus, dass man die Selektivität der CO2RR an Silber durch Modulation der lokalen Reaktionsumgebung zum CO hin verschieben kann. Das geschieht zum einen durch die extreme Erhöhung der lokalen CO2 Konzentration durch den Einsatz von GDEs und zum anderen über die Veränderung der lokalen Reaktionsumgebung. Neben Änderungen in der Elektrodenarchitektur haben wir die Hypothese, dass mithilfe einer Erhöhung des lokalen pH-Wertes durch die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) sowie der CO2RR die HER so weit unter-drückt werden kann, dass diese parasitäre Reaktion nur noch in sehr geringen Raten abläuft. Zusätzlich soll der Einfluss der CO2RR auf die Elektrodenumgebung mit der bereits in der ersten Förderphase etablierten SECM-Methode untersucht werden, und im weiteren Verlauf sollen weitere Erkenntnisse zur lokalen Dynamik an GDEs durch Modifizierung von SECM basierten Methoden gewonnen werden. Diese Erkenntnisse sollen mithilfe gasdruckabhängiger Ramanmessungen unter elektrochemischer Kontrolle an den GDE gestützt werden. Dadurch erwarten wir experimentelle Hinweise für die in TP1 (Turek) und TP2 (Krewer) entwickelten Simulationen bzw. liefern Eingangsparameter, um die Simulationen realitätsnaher zu gestalten. Zusätzlich sollen Modellmessungen zur Benetzung von GDE-Oberflächen unter Potentialeinfluss (Electrowetting) als Eingangsparameter für TP4 (Manke) und TP5 (Nieken) durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2397: Multiskalen-Analyse komplexer Dreiphasensysteme