Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Ir-Ru-Elektroden für die Sauerstoffentwicklung unter dynamischen Betriebsbedingungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Serhiy Cherevko; Professor Dr. Jan-Dierk Grunwaldt; Professorin Dr.-Ing. Ulrike Krewer
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406938448

In diesem Projekt werden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Ir-Ru-Elektroden für die dynamische Sauerstoffentwicklung in Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren untersucht. Die Elektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie für die effiziente Speicherung erneuerbarer Energien im Rahmen der Energiewende; bisher verhindert jedoch die verlustbehaftete Sauerstoffentwicklung einen großskaligen Einsatz. Zusätzliche Komplexität kommt durch die Notwendigkeit dynamischer Betriebsweise aufgrund der Fluktuation erneuerbarer Energien hinzu. Benötigt wird daher ein Verständnis der grundlegenden Prozesse am Katalysator während der dynamischen Sauerstoffentwicklung. Im Vergleich zu derzeitigen Ir-Katalysatoren sind Ir-Ru-Anoden leistungsfähiger jedoch weniger stabil hinsichtlich Oxidationszustand, Oberflächenstruktur sowie Auflösung. Die Aufklärung der bisher nicht verstandenen komplexen Wechselwirkung zwischen Katalysatorstruktur und elektrochemischer Aktivität ist von größter Bedeutung für die Realisierung aktiver, stabiler und kostengünstiger Elektrolyseure. Das Ziel dieses Projektes ist die Aufstellung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Ir-Ru-Anoden für die dynamische Sauerstoffentwicklung. Besonderes Augenmerk liegt auf Veränderungen von Katalystorzusammensetzung und Oxidationszustand und deren Einfluss auf Reaktionskinetik, Aktivität und Stabilität. Wir planen aufzuklären, wie sich Struktur und katalytische Eigenschaften zwischen Volllast, Teillast und dynamischem Betrieb ändern und was den stabilen Betriebsbereich begrenzt. Hierzu verbinden wir in situ/operando spektrometrische Methoden zur Beschreibung des Zustands und der Struktur des Katalysators mit elektrochemischen Analysemethoden und kinetischen Modellierungsansätzen, die die Leistungsfähigkeit ausgehend vom Katalysatorzustand beschreiben. Der interdisziplinäre Ansatz beinhaltet neue Messzellen für operando Röntgenspektroskopie im dynamischen Betrieb, on-line Massenspektrometrie und dynamische elektrochemische Analysemethoden, die das Screening von Ir:Ru-Zusammensetzungen und tiefergehende mechanistische Untersuchungen erlauben. Ergebnisse aus der experimentellen Katalysatorcharakterisierung werden mit kinetischen Modellen verknüpft, welche die Veränderungen der Reaktionskinetik und der Katalysatorstruktur als Funktion der (dynamischen) Betriebsbedingungen reproduzieren. Experimentell validierte Modelle ermöglichen Einblicke in die katalytischen Prozesse sowie eine Interpretation der Messungen. Diese Kombination experimenteller und theoretischer Ansätze ermöglicht nicht nur ein vertieftes Verständnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Elektrokatalysatoren - hier beispielhaft für die Sauerstoffentwicklung gezeigt - sondern sie erlaubt auch eine Vorhersage der Leistungsfähigkeit im dynamischen Betrieb und günstiger Betriebsbereiche. Weiterhin ebnet das erarbeitete Verständnis der Katalysatordynamik während der Sauerstoffentwicklung den Weg für die Entwicklung neuer Katalysatoren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2080: Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung