Atomar dünn beschichtete por?se Elektroden als neuartige Katalysatoren für die Wasser-Elektrolyse

Wasserstoffbasierte Technologien der elektrochemischen Stoff- und Energieumwandlung k?nnen einen wesentlichen Beitrag bei der Erh?hung des Anteils erneuerbarer Energien liefern und damit zur Erreichung der klimapolitischen Ziele der Bundesregierung im Rahmen der Energiewende beitragen. Sie k?nnen mithelfen, eine künftige umweltschonende, zuverl?ssige und bezahlbare Energieversorgung aufzubauen. Kernkomponenten einer solchen Technologie sind effiziente und stabile Katalysatormaterialien für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse. Eine Erh?hung des Wirkungsgrades von Katalysatoren, eine Verringerung ihrer Kosten und eine optimierte Katalysatorproduktion k?nnen zur Steigerung der Wettbewerbsf?higkeit deutscher Unternehmen führen. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung neuartiger Elektroden für die Wasserstofferzeugung sowie von optimierten Methoden der Produktion der darin enthaltenen Katalysatoren. Das Projekt konzentriert sich auf die typischerweise limitierende Teilreaktion der Wasserelektrolyse, die sogenannte Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (OER). Verbesserte Effizienz sowie ein deutlich geringerer Gehalt an katalytisch aktivem Edelmetall sollen durch eine definierte Strukturierung der Elektroden erreicht werden. Diese Strukturierung trennt gezielt die verschiedenen Materialfunktionen auf in Oberfl?chenprozesse (katalytische Reaktion, Degradation) und Prozesse die vom Volumen des Materials kontrolliert werden (Leitf?higkeit, Stabilit?t, Porensystem). Die neuartigen Katalysatoren sollen aus einer mehrere Atomlagen dünnen und katalytisch aktiven Metalloxidschicht bestehen, welche homogen und oberfl?chenkonform auf den Porenw?nden eines leitf?higen Tr?germaterials (metalldotiertes TiO2 sowie Metallkarbide) aufgebracht ist. Die Eigenschaften der Katalysatoren sollen in Bezug auf die Beschichtung (Zusammensetzung, Dicke, Multimetalloxide) und den por?sen Tr?ger (Zusammensetzung, Leitf?higkeit, Porengr??e, Wandst?rke) kontrolliert einstellbar sein. Durch geschickte
Wahl von Oberfl?chen- und Volumenmaterial sollen zus?tzliche Synergieeffekte erzielt werden (elektronische Modifikation der Schicht; Schutzwirkung gegen Degradation des Tr?gers). Virtuelle ab-initio Screenings mittels quantenchemischer Berechnungen (DFT) sollen vorab aus einer Vielzahl m?glicher Strukturen und Zusammensetzungen diejenigen ausw?hlen, die in Bezug auf Aktivit?t, Stabilit?t und Leitf?higkeit optimale Eigenschaften versprechen. Die ausgew?hlten Materialien werden durch zwei geeignete pr?zise Pr?parationsmethoden hergestellt: i) die Synthese kontrolliert por?ser Metalloxide und Metallkarbide ("nanocasting") und ii) die atomlagengenaue und oberfl?chenkonforme Beschichtung dieser por?sen Systeme ("Atomic Layer Deposition"). Die entwickelten Katalysatoren werden in PEM Elektrolyseure integriert und einzeln sowie als Teil des Gesamtsystems getestet. Basierend auf einem Verst?ndnis der Katalysatoreigenschaften und der Syntheseprozesse werden verbesserte Verfahren der Produktion von Katalysatoren und Katalysatorvorstufen im technischen Ma?stab entwickelt und deren Wirtschaftlichkeit entlang der gesamten Wertsch?pfungskette abgesch?tzt. Ausgehend vom Forschungs- und Entwicklungsbedarf des Katalysatorherstellers UMICORE vereint das Vorhaben Expertise aus allen wichtigen Bereichen der Katalysatorforschung wie quantenchemische Berechnungen (AG Bredow) und Katalysatorsynthese (AG Pinna, AG Kr?hnert) sowie spektroskopische Untersuchungen (AG Emmerling). Die enge Einbindung und langj?hrige Erfahrung der UMICORE AG auf dem Gebiet der Katalysatorentwicklung und -produktion bietet optimale Voraussetzungen für eine erfolgreiche anwendungsorientierte Grundlagenforschung. Die im Projekt verfolgte Integration quantenchemischer Screening-Methoden in die Entwicklung neuer Katalysatoren und Verfahren der Katalysatorproduktion betritt absolutes Neuland. Der Ansatz ist wegweisend für die Zukunft der industriellen Katalysatorentwicklung in Deutschland.