Entdeckung von CO2-Elektroreduktionskatalysatoren durch Hochdurchsatzversuche: Vom Screening von Dünnschicht-Materialbibliotheken bis zu Gasdiffusionselektroden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Corina Andronescu; Professor Dr.-Ing. Alfred Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506022989

Das Projekt zielt darauf ab, die Entdeckung von Katalysatoren für die CO2-Elektroreduktion (CO2RR) zu beschleunigen, indem eine neue Methodik für Hochdurchsatztests von neuen Elektrokatalysatormaterialien bei industriell relevanten Stromdichten entwickelt wird. Wir planen, die kombinatorische Co-Sputter-Synthese von Dünnschicht-Materialbibliotheken (MLs) mit dem Testen von Katalysatormaterialien auf der Ebene der Gasdiffusionselektrode (GDE) zu verbinden, indem wir die elektrochemische Rastermikroskopie (SECCM) als Hochdurchsatz-Screening-Technik einsetzen, um die Aktivität von CO2RR-Elektrokatalysatoren bei hohen Stromdichten zu bewerten. Im ersten Teil des Projekts wollen wir verstehen, wie SECCM-Messungen an Dünnschicht-Elektrokatalysatoren durchgeführt werden müssen, um ähnliche Aktivitäten wie in einer GDE zu erzielen. Au und Cu werden als Modellkatalysatoren verwendet, und es werden Sputtertechniken eingesetzt, um Dünnfilm-Katalysatorschichten auf flachen Substraten oder 3D-porösen PTFE-Membranen zu erzeugen. Ziel ist es, die Haftung der Metallschicht auf dem PTFE-Substrat während des Sputterprozesses zu verbessern. Im zweiten Teil des Projekts planen wir die Synthese und Charakterisierung von MLs, die durch Co-Sputtern von Elementen mit starker (Co, Ni) und schwacher (Ag, Au) CO- und H-Bindung erhalten werden, mit dem Ziel, neue CO2RR zu entdecken, welche die selektive Synthese von Multikohlenstoffprodukten (C≥2) bei industriell relevanten Stromdichten ermöglichen. Mit Hilfe von SECCM wird die elektrokatalytische Aktivität der verschiedenen Materialien in einer ML bewertet, um neue Katalysatoren zu identifizieren, die CO2 mit einer Mindeststromdichte von 100 mA*cm-2 reduzieren können und als HITs bezeichnet werden. Die identifizierten HIT-Zusammensetzungen werden auf GDEs durch Sputtern auf Membranen übertragen. Die CO2RR-Selektivität der in eine GDE eingebetteten Katalysatoren wird in einem Durchflusszellenelektrolyseur in Verbindung mit Online-Gaschromatographie und Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie bewertet. Die Verbesserung der Stabilität des Katalysatorfilms in einer GDE und die Abstimmung der Mikroumgebung des Katalysators auf der GDE zur Beeinflussung der Selektivität werden durch Co-Sputtern von binären und ternären Katalysatoren mit PTFE realisiert. Die Korrelation der Katalysatorselektivität mit den Katalysator- und Elektrodenstrukturen wird abgeleitet und geht damit über den Stand der Technik hinaus, bei dem die Katalysatorselektivität oft ohne Berücksichtigung des Gesamtsystems beschrieben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen