Abgestimmte Konstruktionskonzepte für technische Keramiken mit integrierten, katalytisch aktiven Metallpartikeln für die elektrochemische Energieumwandlung

• Antragsteller: Dr. Günter Motz
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490841897

Das Erreichen eines ausreichenden, dauerhaften, emissionsfreien und umweltfreundlichen Energiesystems hat für die globale Energieagenda oberste Priorität. Bei diesen weltweiten Bemühungen spielen Materialdesign und Elektrochemie eine zentrale Rolle, um alternative Energielösungen anzubieten. Insbesondere erneuerbarer Wasserstoff, der durch Elektrolyse erzeugt wird, ist einer der vielversprechendsten Wege zu einer effizienten Dekarbonisierung des Energiesystems. Außerdem stellt er gleichzeitig eine sichere und nachhaltige Energiequelle dar. Im Rahmen des RECIFE Projekts soll durch die Kombination von Materialmodellierung, maschinellem Lernen sowie fortschrittlichen Design- und Charakterisierungskonzepten eine neue Klasse von wasserspaltenden Elektrodenmaterialien entwickelt und konstruiert werden, die auf nichtedlen Übergangsmetallen (TM) und polymerabgeleiteten Keramiken basieren. Die Zusammenarbeit zwischen zwei französischen und einem deutschen Institut mit jeweils komplementärer Expertise soll zu Elektroden führen, die die katalytische Aktivität und Haltbarkeit herkömmlicher Produkte übertreffen und die Entwicklung leistungsstarker OER Elektrolysekatalysatoren der nächsten Generation ermöglichen. Besonderes Augenmerk liegt hierbei vor allem auf dem speziell für die geplante Anwendung entwickelten Design der Nanokomposite, die aus zugänglichen, nanoskaligen, nicht-edlen, aktiven Übergangsmetallpartikeln bestehen, die in einer Keramikmatrix dispergiert sind. Diese Nanokomposite müssen sowohl eine katalytisch aktive, spezifische Oberfläche aber auch eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit und chemische Beständigkeit aufweisen, wie sie für die Sauerstoffentwicklungsreaktionen (OER) erforderlich sind. Das geplante RECIFE Projekt kombiniert zum ersten Mal (1) die Genauigkeit der „First-Principle"-Modelle (2) die Verwendung von Computerdaten als Quelle für die Vorhersage von Materialeigenschaften durch künstliche Intelligenz (3) eine auf dem „Deep Learning“ Prinzip basierende experimentelle Charakterisierung der strukturellen Eigenschaften der synthetisierten Elektrodenmaterialien, (4) die experimentelle Synthese, unterstützt durch maschinelles Lernen und „First-Principle"-Modelle, und (5) die Anpassung der Herstellungsmethoden, um ein Up-Scaling von Elektroden zu ermöglichen. Aus den Arbeitspaketen, die die Modellierungen beinhalten, werden wichtige Erkenntnisse hinsichtlich des strukturellen Aufbaus der Keramikmaterialien auf atomarer Ebene sowie ein mikroskopischer Einblick in die OER-Mechanismen und den dabei ablaufenden elektrochemischen Prozessen an den blanken und hydratisierten Nanokompositelektroden erwartet. Der experimentelle Teil des beantragten Vorhabens konzentriert sich auf die Entwicklung von Protokollen für die Synthese, Optimierung und das Design optimaler, übergangsmetallmodifizierter, keramischer Nanokompositelektroden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Assil Bouzid; Dr. Guido Ori