Reduzierung des PGM-Gehalts für eine effiziente PEM-Wasserelektrolyse durch 3D-poröses Katalysator-Engineering und Bottom-up-Elektrodendesign

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anna Fischer
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530128522

Die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE) ermöglicht in Kombination mit erneuerbaren Energien die Herstellung von grünem Wasserstoff mit hoher Reinheit und hohem Druck. Derzeit werden an beiden Elektroden von PEM-Elektrolyseuren, i.e. in den Anoden- und Kathoden-Katalysatorschichten, substanzielle Mengen von Platingruppenmetallen, i.e. Platin an der Kathode, Iridium an der Anode, eingesetzt. Diese hohen PGM-Elektrodenbeladungen müssen, bei gleichbleibender Aktivität und Stabilität, in Zukunft drastisch reduziert werden, um die Wirtschaftlichkeit und breite Anwendung der PEM Elektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff zu sichern. Neben der Aktivität der Katalysatoren ist die 3D-Architektur und Porosität der Elektroden (Katalysatorschichten) ein ebenso wichtiger Aspekt, der eine entscheidende Rolle für die Performance spielt, da er den Massentransport von Elektronen, Wasser, Protonen und entstehenden Gasen reguliert. Die Verbesserung der PEMWE-Leistung durch die Entwicklung von multiskalen 3D-Elektrodenarchitekturen basierend auf maßgeschneiderten Katalysatorpartikeln als Bausteine ist heutzutage jedoch noch wenig erforscht, da dies die Formgebung komplexer Katalysatormaterialien auf mehreren Skalen erfordert. In diesem Projekt gehen wir diese Herausforderung an, indem wir 3D-poröse Katalysatorpartikel mit ultraniedriger PGM-Beladung und maßgeschneiderten Partikeleigenschaften entwickeln. Die komplementäre Expertise der deutschen (Anna Fischer, Universität Freiburg) und französischen (Marco Faustini, Sorbonne Université) Partner in der Materialsynthese ermöglicht die Herstellung von 3D-Katalysatoren im Nano- und Mikrobereich für Kathoden und Anoden. Um die Pt-Nutzung an der Kathode zu verbessern, werden Pt-Cluster und/oder Pt-Einzelzentren auf 3D-porösen dotierten Kohlenstoffpartikeln mit maßgeschneiderten Partikeleigenschaften entwickelt. Für die Anode, werden 3D-poröse Partikel auf Ir-Basis mit maßgeschneiderten Partikeleigenschaften synthetisiert. Die Auswirkungen der 3D-Katalysator- und Elektrodenarchitekturen auf die Elektrolyse Performance werden sowohl auf der Ebene der RDE- als auch der PEMWE-Einzelzelle bewertet (Jennifer Peron, Université Paris Cité). Durch Nano- und Mikro-Engineering der Katalysatorarchitektur wird beabsichtigt, 3D-strukturierte Katalysatorschichten mit einer optimierten Morphologie für eine Hochleistungselektrolyse bei stark minimierter PGM-Beladung zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Marco Faustini; Dr. Jennifer Peron