Elektrokatalyse von Wasserstoff und Sauerstoff in alkalischen Elektrolyten unter extremen Temperaturbedingungen

• Antragstellerin: Dr. Maren-Kathrin Heubach
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563617622

Grüner Wasserstoff wird in Zukunft als wichtige erneuerbare Energiequelle und Energiespeicher dienen, der aus Elektrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Energien, wie Solar-, Windenergie oder Wasserkraft, erzeugt wird. Bei Bedarf kann er in Brennstoffzellen sowohl elektrische als auch thermische Energie liefern. Die zugrundeliegenden elektrochemischen Prozesse der Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung und Wasserstoffoxidation, sowie Sauerstoffreduktion finden auf Katalysatoren statt, die fortwährend hinsichtlich Effizienz, Materialkosten und Verfügbarkeit optimiert werden. Hauptsächlich werden die elektrokatalytischen Reaktionen bei Raumtemperatur untersucht, während die Arbeitstemperatur von Wasserelektrolyseuren und Wasserstoffbrennstoffzellen meist 60-80°C beträgt. Hinzu kommen sogenannte Kaltstarts, die in nördlichen Ländern im Winter unterhalb des Gefrierpunkts des Elektrolyten und in Ländern nahe des Äquators nahe des Siedepunkts stattfinden. In diesem Projekt soll diese wichtige Wissenslücke erforscht werden, wobei der Fokus auf Materialien auf Nickelbasis und wässrigen KOH-Lösungen liegen soll. Hierbei werden sowohl die Elektrodenreaktionen als auch die Degradation der Katalysatoren bei Temperaturen von unterhalb des Gefrierpunkts bis nahe des Siedepunkts des verwendeten Elektrolyten untersucht. Im Zentrum der Untersuchungen stehen folgende Fragen: Wie verändern sich die Mechanismen und die Kinetik der elektrokatalytischen Reaktionen im gefrorenen Elektrolyten und im Elektrolyten nahe des Siedepunktes im Vergleich zu Messungen bei Raumtemperatur? Welche Einflüsse hat die Konzentration des Elektrolyten und damit der pH-Wert und die Leitfähigkeit in den verschiedenen Temperaturbereichen? Wie verändert sich die Korrosion des Katalysators bei den verschiedenen Temperaturen? Zur Aufklärung dieser Fragen werden verschiedene Methoden aus Elektrochemie, Materialwissenschaften, Oberflächenchemie und Spektroskopie unter Temperaturkontrolle kombiniert: Elekrochemische Messungen wie zyklische Voltammetrie, Tafelgeraden und elektrochemische Impedanzspektroskopie liefern tiefe Einblicke in die elektrochemischen Prozesse. Zudem können Elektronenmikroskopie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Rastersondenmikroskopie vor und nach den elektrochemischen Messungen die Veränderungen von Struktur und chemischer Zusammensetzung der Katalysatoroberfläche aufzeichnen. Im nächsten Schritt soll die Temperaturkontrolle auf fortgeschrittene Messmethoden wie Ramanspektroskopie und Rastersondenmikroskopie ausgedehnt werden. Durch diese erweiterte Methodik können die komplexen Reaktionsmechanismen auf molekularer Ebene aufgeschlüsselt und die reaktiven Stellen mit hoher Genauigkeit identifiziert werden. Das hier beschriebene Projekt kann wesentlich zu einem tieferen Verständnis der elektrokatalytischen Prozesse und Korrosion in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen bei verschiedenen Temperaturen beitragen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor Dr. Gregory Jerkiewicz