Steuerung der Mikroumgebung durch Ionomere zur Erhöhung der CO-Selektivität bei der CO2-Elektrolyse an Ag-basierten Gasdiffusionselektroden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Christina Roth; Professor Dr.-Ing. Thomas Turek
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547492927

Die elektrochemische Reduktion von CO2 (eCO2R) ist eine vielversprechende Technologie im Kampf gegen den Klimawandel. Sie erlaubt es, überschüssige erneuerbare Energien zu nutzen, um aus CO2 wertvolle Basischemikalien herzustellen und bietet so einen Prozess mit negativer CO2-Bilanz. Gasdiffusionselektroden (GDEs) sind dabei zwingend erforderlich, um einen effizienten Transport von CO2 an die katalytisch aktiven Zentren der Elektrode zu gewährleisten. Von besonderem Interesse in der aktuellen Forschung sind silberbasierte GDEs, da sie eine sehr hohe Selektivität für die Bildung von CO aufweisen und bereits technisch relevante Stromdichten ermöglichen. Die Struktur und Hydrophobizität der GDEs spielt dabei eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit. Während herkömmliche Herstellungsmethoden wie Airbrushing Einschränkungen hinsichtlich der Steuerung der hydrophoben und hydrophilen Bereiche in der GDE haben, bietet die dynamische Gasblasentemplatierung (DHBT) eine alternative Methode zur Herstellung maßgeschneiderter Metallschäume. Diese strukturierten Elektroden können durch gezielte Modifizierung der Mikroumgebung, z.B. durch den Zusatz von Ionomeren, für die Anwendung in der eCO2R angepasst werden. Das beantragte Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung von effizienten GDEs für die eCO2R auf Basis dieser Methode. Hauptziel des Projektes ist dabei, den Einfluss ionenleitender Polymere auf die Mikroumgebung in silberbasierten GDEs und den Wirkungsmechanismus bei der eCO2R zu CO im Hinblick auf eine Steigerung der Selektivität und Stabilität zu untersuchen. Postuliert werden dabei verschiedene Effekte als Ursache des positiven Einflusses. Dazu gehören die Beeinflussung der Benetzbarkeit der GDE durch die Hydrophobizität der Ionomere, die Beeinflussung der lokalen Konzentration an gelöstem CO2 innerhalb der GDE, sowie die Beeinflussung des lokalen pH-Wertes. Der Arbeitsplan sieht hierzu mehrere Schritte vor. Zunächst soll eine standardisierte Messumgebung bei den beiden Projektpartnern hergestellt werden. So soll gewährleistet werden, dass die im Laufe des Projektes erhaltenen Ergebnisse stets vergleichbar sind. Anschließend soll in gezielten Messprogrammen der Einfluss verschiedener Ionomertypen und Ionomerkonzentrationen untersucht werden. Dazu sollen GDEs hergestellt und in umfassenden Experimenten physikalisch und elektrochemisch charakterisiert werden. In einem weiteren Arbeitspaket soll ein bestehendes mathematisches Elektrodenmodell für die eCO2R modifiziert werden, um den Einfluss der Ionomere akkurat abzubilden. Hierzu sollen weiterhin gezielt Validierungsdaten in Experimenten generiert werden, um Parameteranpassungen durchführen zu können. Schlussendlich soll durch die erzielten Ergebnisse ein Beitrag zur Aufklärung der postulierten Effekte der Ionomere auf die Mikroumgebung in der GDE sowie zum Reaktionsmechanismus der eCO2R zu CO geleistet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Ingo Manke