CO2-Elektrolyse

Beteiligte Forscher: Guangxin Liu, Henning Lorentz, und Nathalie Matthes

Die Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (CCU) ist eine ideale Strategie, um die CO2-Emissionen unter Kontrolle zu halten und gleichzeitig eine nachhaltige Industrialisierung aufrechtzuerhalten. Ihr Erfolg wird über die Unabhängigkeit der Menschheit von fossilen Brennstoffen und Materialien entscheiden. Die CO2-Elektrolyse ermöglicht die Nutzung von Kohlenstoff, indem sie CO2 in Chemikalien mit Mehrwert wie CO, Ethylen, Ethanol usw. umwandelt. Wir tragen zu diesem Thema mit Aktivitäten im Bereich Zelldesign und Katalysatorentwicklung bei. Unsere Forschung zielt auf ein optimiertes Zelldesign und effektive Katalysatoren und Membranmaterialien ab. Ziel ist es, eine Zellstromdichte von > 200 mA/cm2 für C2+-Produkte bei einem Faraday-Wirkungsgrad von > 50 % und einer angemessenen Lebensdauer zu erreichen.

CO2-Elektrolyse — REM-Aufnahme eines Cu3O4-Katalysators, Copyright: Lorenz

Es ist bekannt, dass Ag- und Cu-Katalysatoren während des Zellbetriebs rekonstruiert und umverteilt werden. Die Zellstabilität und der Faraday-Wirkungsgrad werden dadurch entsprechend beeinträchtigt. Unsere Ansätze zielen darauf ab, diese Probleme durch die Synthese neuer Phasen, Verbindungen mit Dotierung oder Legierungen verschiedener Elemente zu lösen, um die Stabilität zu verbessern und die Rekonstruktion des Katalysators zu verhindern.

Der Übergang von Karbonat- und Flüssigprodukten auf die Anodenseite führt zu einer komplizierten Produkttrennung und erheblichen Energieverlusten. Der Übergang von Kationen von der Anode zur Kathode kann zu Karbonatablagerungen und zur Passivierung der Katalysatoroberfläche führen. Wir gehen diese Probleme an, indem wir eine effektive Zellkonfiguration und Membran entwerfen.

Um qualitativ hochwertige Katalysatorschichten herzustellen und eine hohe Zellleistung und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, optimieren wir den Herstellungsprozess von der Formulierung der Katalysatortinte bis zur Abscheidung der Katalysatorschichten.

Katalysatoren für Brennstoffzellen und elektrochemische Synthesereaktoren

Beteiligte Forscher: Ramesh Pokhrel und Doktorand(in) wird eingestellt

Die Einführung von Wasserstoff stößt aufgrund von Sicherheitsbedenken und hohen Verwaltungskosten für molekularen Wasserstoff auf gesellschaftlichen Widerstand. Um seine Energiedichte zu erhöhen, wird Wasserstoff häufig in komprimiertem (300 - 700 bar) oder verflüssigtem (- 253°C) Zustand gespeichert und verwendet. Eine Lösung zur Überwindung dieses Mangels ist die Verwendung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC) zur Speicherung von Wasserstoff in ihren chemischen Bindungen. H2 kann durch De-/Hydrierungsreaktionen aus LOHCs entladen und in LOHCs geladen werden. LOHCs sind in einem weiten Temperaturbereich bei Umgebungsdruck flüssig und oft brennbar. Die Verwendung von LOHCs erleichtert also nicht nur das Brennstoffmanagement in Brennstoffzellensystemen, sondern auch die Lagerung und den Transport des Brennstoffs. Daher werden für diese Systeme Kostensenkungen und ein sichererer Betrieb erwartet. Allerdings laufen die De-/Hydrierungsreaktionen bei hohen Temperaturen (250 - 350 °C) ab und sind daher energieaufwendig und unflexibel im Betrieb. Wir entwickeln einen alternativen Weg für die Reaktionen über De/Hydrierung in elektrochemischen Reaktoren, die bei Temperaturen < 100 °C durchgeführt werden. Die Systeme werden voraussichtlich energieeffizient und dynamisch betrieben werden können. Beispiele für LOHC-Systeme sind Isopropanol/Aceton und das Methylcyclohexan/Toluol-Paar. Das Isopropanol/Aceton-Paar kann direkt in einer Brennstoffzelle als direkte Isopropanol-Brennstoffzelle (DIFC) oder indirekt über eine De/Hydrierung in einem elektrochemischen Reaktor eingesetzt werden. Wir entwerfen und entwickeln die Katalysatoren für diese Reaktoren