Innovative Bipolarmembranen für Energie- und Elektrodialysetechnologien

• Antragsteller: Sebastian Zeki Oener, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Matthias Wessling
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505677835

Bipolarmembranen dissoziieren Wasser an der Grenzfläche zwischen einer Protonen- und einer Hydroxidionen-Leitschicht. Die generierten H+ und OH- werden industriell in der Elektrodialyse zur Herstellung von Säuren und Basen verwendet und könnten sehr nützlich für Wasser - und CO2 Elektrolyseure und Brennstoffzellen sein. Diese Technologien würden von der Fähigkeit profitieren, den lokalen pH-Wert an den Elektrodenoberflächen zu kontrollieren, um ideale (pH-abhängige) Aktivität, Selektivität und Stabilität der Elektrokatalysatoren zu gewährleisten. Darüber hinaus besitzen Bipolarmembranen eine Ionenselektivität, welche verhindert, dass Elektrolytionen aus den angrenzenden Abteilen durch die Membran hindurch strömen können und dadurch die Produkte (z.B. Säure und Base) verunreinigen können. Trotz jahrzehntelanger Forschung, sind jedoch diese Funktionsmechanismen immer noch nicht grundlegend verstanden, wodurch die Leistungsfähigkeit der Bipolarmembran und der entsprechenden Anwendungen stark beeinträchtigt ist. In APRiCOT nutzen wir Kerneigenschaften von Membranelektrodenanordnungen aus, die es uns erlauben neue Materialien kontrolliert in den bipolaren Übergang zu integrieren und ihre Effekte auf die Wasserdissoziation, Ionenselektivität und den Wassertransport genau zu untersuchen. Ultra-dünne Nanpartikelanordnungen und 2D Materialen erlauben es uns bisherunerreichte Kontrolle über die Katalysatoranordnung und die Dicke der bipolaren Grenzschicht zu gewinnen. Das ist wichtig, um die Überspannung und somit die notwendige Energie zum Betrieb der Bipolarmembran zu reduzieren. 2D Materialien in der bipolaren Grenzschicht können außerdem zur Untersuchung und letztendlich womöglich Verbesserung der Ionenselektivität der ganzen Bipolarmembran eingesetzt werden. Das ist entscheidend für die Elektrodialyse zur Herstellung von hochreiner Säure und Base und für CO2 Elektrolyseure, um Durchtritt von Bikarbonat zur Kathode zu verhindern. Nicht zuletzt werden wir Ergebnisse von den (bipolaren) Membranelektrodeneinheiten zur Herstellung von verbesserten frei-stehenden Bipolarmembranen einsetzen. Diesbezüglich werden wir die Hauptunterschiede dieser beiden technologisch-relevanten Plattformen untersuchen. Ein Hauptfokus liegt dabei auf dem Transfer von unseren neuen Ergebnissen zu bipolaren Membranelektrodeneinheiten, die bei sehr hohen Stromdichten betrieben werden können, zu freistehenden Bipolarmembranen. Höhere Stromdichten sind von hohem Interesse für industrielle Elektrodialyse. APRiCOT stellt eine weltweit einmalige Kombination von Expertise dar, welche die Kernbereiche 2D Materialien, Nanopartikel-Anordnungen, bipolare Membranelektrodeneinheiten und freistehende Bipolarmembranen und Elektrodialyse abdeckt. Diese Arbeiten werden zu einem verbesserten Verständnis und möglicherweise verbesserten Prototypen von Bipolarmembranen führen, welche ausschlaggebend für eine große Anzahl von bereits existierenden und zukünftigen industriellen Anwendungen sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortliche: Dr. Robert Keller; Dr.-Ing. Hannah Roth
• Kooperationspartner: Dr. Mikhael Bechelany; Professor Dr. Philippe Miele; Beniamino Sciacca, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Damien Voiry, Ph.D.