Mikroelektrochemische und mikrospektroelektrochemische Untersuchungen des Einbaus von Eisen-Ionen in Nickeloxid und dessen Auswirkung auf die Sauerstoffentwicklungsaktivität bei der alkalischen Wasserelektrolyse - MicroSpec

• Antragsteller: Dr. Matthias Steimecke
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529886413

Die effiziente Speicherung regenerativ gewonnenen Stroms aus Wind und Sonne ist eine der zentralen Herausforderung dieser Zeit. Neben Akkumulatoren zur Ein- und Ausspeisung für Strom von Erzeugern und für Verbraucher können Elektrolyseverfahren wichtige Grundstoffe für die chemische Industrie bereitstellen. Wasserstoff ist dabei das zentrale Molekül, auf das die momentanen Entwicklungen zielt. Neben der sauren Membranelektrolyse (PEM), die auf stabile und leistungsfähige aber zugleich auch selten und teure Materialien angewiesen ist, spielt die alkalische Wasser-Elektrolyse eine wichtige Rolle für die notwendige Transformation der Grundstoffversorgung von fossilen zu erneuerbaren Energien. In den letzten Jahren ist entscheidender Fortschritt bei den alkalischen Membranen gemacht worden, was das alkalische Membranelektrolyse (AEM) einen entscheidenden Vorschub leistete. Hier können nun Elektrodenmaterialien zum Einsatz kommen, welche aus preiswerten und gut verfügbaren Übergangsmetallverbindungen bestehen. Für diese herrscht jedoch ein Verständnismangel und ein Optimierungsbedarf, der vor allem für die Seite der kinetisch stark gehemmten Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) weiter Forschung notwendig macht. Dabei das Nickel-Eisen-Doppelhydroxid (NiFe-LDH) von zentraler Bedeutung, da es die geringsten Verluste (Überspannung) aufweist. In diesem Vorhaben sollen neue Nickeloxid-basierte Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion untersuchen werden. Die zentrale Idee des Projektes ist es hierfür, Materialerkenntnisse zu Hochtemperatur-Nickeloxiden und Methodenentwicklung von ortsauflösender Elektrochemie und in situ Spektroskopie zusammenzuführen. So sollen einerseits bei verschiedenen Temperaturen behandelte pulverförmige Nickeloxide mit verschiedenen Eisenanteilen umfassend untersucht werden, um neuartige Materialien mit hoher Aktivität und gleichzeitiger Stabilität für die elektrochemische Sauerstoffentwicklung zu entwickeln. Der Ansatz Nickeloxid-basierte anstatt den Hydroxid-basierten Materialien zu verwenden, beruht auf eigenen Ergebnissen, in denen Hochtemperatur-Nickeloxid eine vergleichbare Aktivität bei deutlich verbesserter Stabilität verglichen mit dem Hydroxid aufwies. Andererseits soll in diesem Vorhaben die kombinierte in situ Raman-Mikroskopie und elektrochemische Rastermikroskopie (SECM) mit neuartigen Ansätzen weiterentwickelt werden. Schlussendlich soll dieses Setup für die mikroelektrochemische und spektroskopische Untersuchung von Nickel-(Eisen)-Oxid-Elektroden eingesetzt werden und so neue Erkenntnisse zu Aktivitäts-Struktur-Beziehungen und Ursachen für die Deaktivierung und Stabilität liefern. Vereint mit den Materialerkenntnissen soll ein vertieftes Verständnis der Dynamik Nickel-basierter Elektrokatalysatoren in Bezug auf strukturelle Änderungen erhalten werden und so neue Ansätze für stabilere OER-Katalysatoren in der alkalischen Elektrolyse liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen