Ceroxid Kathoden für Hochleistungs-Elektrolysezellen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Bram; Professorin Dr. Britta Nestler; Dr.-Ing. Daniel Schneider; Professor Marc Georg Willinger, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467256728

Die Spaltung von H2O und CO2 in Hochtemperatur Festoxid-Elektrolysezellen (solid oxide electrolysis cells, SOECs) ist ein hocheffizienter und viel versprechender Ansatz zur Herstellung von grünem H2 und CO. Neuartige, Ceroxid-basierte Kathoden haben das Potential, die SOEC-Technologie einen großen Schritt voranzubringen, da sie eine hohe elektrochemische Aktivität, eine niedrige Degradationsrate und eine geringe Anfälligkeit für Verkokung in Aussicht stellen. Um das Potential dieser Elektroden voll ausschöpfen zu können, ist eine genaue Kenntnis der komplexen Zusammenhänge zwischen elektrochemischer Leistungsfähigkeit, Gefüge und mechanischen Eigenschaften eine wichtige Grundvoraussetzung. Im Projekt werden zwei Strategien verfolgt, um Ceroxid-basierte SOEC-Kathoden mit einer hohen Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität herzustellen. Das erste Ziel ist die Demonstration einer neuen Processing-Route für SOEC-Kathoden auf Basis von Ni/Gd dotiertem Ceroxid (Ni/GDC). Hierbei wird durch eine gezielte Redox-Behandlung die Ceroxid-Phase gleichmäßig auf der Ni-Oberfläche verteilt, woraus eine hohe spezifische, elektrochemisch aktive Oberfläche, eine verbesserte mechanische Stabilität sowie eine hohe Toleranz gegen Verkokung resultiert. Das zweite Ziel ist die Entwicklung einer reinen Ceroxid-Kathode mit einer aufgrund der exzellenten mischleitenden Eigenschaften ausgeprägten elektrokatalytischen Aktivität. Um die zu erwartende chemische Dehnung des Materials in den Griff zu bekommen, erfolgt eine gezielte Dotierung. Der Nachweis der mechanischen Kompatibilität wird durch in-situ Messungen der Dehnung und durch numerische Simulationen erbracht. Das vorgeschlagene Projekt verfolgt einen interdisziplinären Ansatz, der auf einer engen Kooperation von Forschungsgruppen mit sich ergänzender Methodenkompetenz beruht. Der Schlüssel zum Erfolg ist das grundlegende Verständnis der Funktion Ceroxid-basierter SOEC-Kathoden bis hinab auf die atomare Ebene und die Implementierung dieses Wissens in die Entwicklung neuer Processing-Routen. Grundlegende Modellversuche an Mikroelektroden liefern wesentliche Erkenntnisse für das optimale Gefüge von Ceroxid-basierten SOEC-Kathoden und Eingangsdaten für die Vorhersage struktureller Änderungen im Betrieb durch Phasenfeld Simulationen. Das Verständnis der ablaufenden Prozesse und deren Zusammenspiel wird durch 3D Mikrostrukturanalyse und in-situ Elektronenmikroskopie vertieft. Der hohe Grad der Innovation dieses Antrags ergibt sich aus der breiten Methodenkompetenz des Konsortiums, die es ermöglicht, poröse Ceroxid-basierte SOEC Kathoden bis hinab zu deren elementaren Eigenschaften und den auf atomarer Ebene ablaufenden Prozessen zu verstehen. Darauf aufbauend werden neue, Ceroxid-basierte SOEC Elektroden entwickelt, die eine hohe Leistungsfähigkeit, Langzeitstabilität und Beständigkeit gegen Verkokung erwarten lassen und so die SOEC-Technologie einen großen Schritt voranbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Mitverantwortlich: Dr. Christian Lenser
• Kooperationspartner: Dr. Jan Van Herle; Dr. Andreas Nenning; Professor Dr. Alexander Opitz