QT 1.1 - PrometH2eus - Projektverbund zur optimierten Materialentwicklung für die technische H2-Erzeugung durch verbesserte Sauerstoffelektroden; Teilprojekt (TP) 6 - Verbesserte Sauerstoffelektroden durch Plasma-unterstützte Oberflächenmodifikation (VESPA); Teilprojekt (TP) 7- Bewertung der elektrochemischen Aktivität von katalysatorbeschichteten Elektroden bei industriell relevanten Stromdichten unter Verwendung von 3D-Elektroden und elektrochemischer Rasterzellmikroskopie; Teilprojekt (TP) 19 - Skalierbare Technologien für Elektroden zur Wasserstofferzeugung

Abstract

TP6: Das Projekt zielte auf die gezielte Verbesserung Ni-basierter Sauerstoffelektroden für die alkalische Wasserelektrolyse durch plasmagestützte Oberflächenmodifikation ab. Ausgangspunkt war der wissenschaftliche und technologische Stand, wonach die elektrokatalytische Aktivität und Stabilität solcher Elektroden maßgeblich durch Oberflächenchemie, Morphologie und Defektstruktur bestimmt werden. Vorarbeiten zeigten, dass Plasmaprozesse eine effiziente Möglichkeit darstellen, Nichtgleichgewichtsphasen, erhöhte Oberflächenrauigkeiten sowie gezielte chemische Modifikationen zu erzeugen, die mit einer verbesserten OER-Performance einhergehen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen verfolgte das Projekt einen systematischen Ansatz zur physikalischen und chemischen Modifikation von Ni-basierten Materialien mittels komplementärer Plasmaquellen (RF-, Mikrowellen- und Atmosphärendruckplasmen). Durch die Kombination von in-situ-Plasmaanalytik und ex-situ-Materialcharakterisierung wurde ein vertieftes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse entwickelt. Ziel war es, skalierbare, kosteneffiziente und industriekompatible Plasmabehandlungen zu etablieren, die eine nachgelagerte Optimierung von Elektrodenmaterialien ermöglichen und so einen Beitrag zur großtechnischen Wasserstofferzeugung leisten. Im Rahmen des Projektes TP6 wurde die gezielte Verbesserung von Ni-basierten Sauerstoff-elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse durch plasmagestützte Oberflächenmodifikation angestrebt. Der Ausgangspunkt für die Untersuchung war der wissenschaftliche und technologische Stand der Forschung. Dieser legte nahe, dass die elektrochemische Aktivität und Stabilität solcher Elektroden maßgeblich durch die Oberflächenchemie, Morphologie und Defektstruktur bestimmt wird. Plasmaprozesse stellen eine effiziente Methode zur Erzeugung von Nichtgleich- gewichtsphasen, erhöhten Oberflächenrauigkeiten sowie gezielten chemischen Modifikationen dar. Diese Effekte gehen mit einer verbesserten OER-Performance einher (vgl. Vorarbeiten). Aufbauend auf diesen Erkenntnissen verfolgte das Projekt einen systematischen Ansatz zur physikalischen und chemischen Modifikation von Ni-basierten Materialien mittels komplementärer Plasmaquellen (RF-, Mikrowellen- und Atmosphärendruckplasmen). Durch die Kombination von in-situ-Plasmaanalytik und ex-situ-Materialcharakterisierung wurde ein vertieftes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse entwickelt. Das Ziel bestand darin, skalierbare, kosteneffiziente und industriekompatible Plasmabehandlungen zu etablieren, die eine nachgelagerte Optimierung von Elektrodenmaterialien ermöglichen und somit einen Beitrag zur großtechnischen Wasserstofferzeugung leisten. TP7: Die Bewertung der neu entwickelten OER-Elektrokatalysatoren erfolgt häufig unter Bedingungen, die nicht den industriell relevanten Stromdichten entsprechen. Diese Herausforderung soll durch den Einsatz der elektrochemischen Rastermikroskopie (SECCM) überwunden werden. Die Methode erlaubt es, Katalysatoren unter reduziertem Stofftransporteinfluss zu testen und so Katalysatormaterialien mit intrinsisch hoher OER-Elektrokatalyseaktivität zu identifizieren. Obwohl SECCM in der wissenschaftlichen Literatur vornehmlich zur Analyse von HER-Elektrokatalysatoren eingesetzt wurde, bei denen industriell relevante Stromdichten aufgezeichnet wurden, wurde die Anwendung von SECCM zur Bewertung von OER-Elektrokatalysatoren nur in begrenztem Umfang genutzt. Zudem wurde in nur wenigen Studien über niedrigere Stromdichten als die angestrebten berichtet. Daher bestand die Notwendigkeit, die Durchführung von SECCM-Messungen zu optimieren, um einen verbesserten Stofftransport von O2 zu ermöglichen und dadurch die Elektrokatalysatoren bei hohen Stromdichten direkt zu bewerten. Die in TP7 durchgeführten Untersuchungen widmeten sich dieser Herausforderung. TP19: Ein effektives Anodendesign für die alkalische Wasserelektrolyse (AWE) erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Struktur der Anodenelektrode, mechanischer Stabilität und Benetzbarkeit, um eine effiziente Blasenablösung bei gleichzeitig hoher katalytischer Aktivität zu gewährleisten. Die Elektroden müssen eine effiziente Durchdringung mit Elektrolyt sicherstellen und zugleich unter rauen Betriebsbedingungen elektrochemisch stabil bleiben. Pulverbasierte Katalysatorbeschichtungen werden aufgrund ihrer Flexibilität bei der Abscheidung vorgefertigter Katalysatoren auf leitfähigen Trägern weit verbreitet eingesetzt. Allerdings stehen Ansätze zur skalierten Elektrodenfertigung vor gleich mehreren Herausforderungen: (i) unzureichende Kontrolle der Porosität, was zu eingeschränktem Elektrolytzugang führt, (ii) unzureichende Optimierung der Benetzbarkeit, wodurch es zu Blasenansammlungen und Spannungsverlusten kommt, und (iii) Delamination der Beschichtung bei längerem Betrieb unter hohen Stromdichten. Obwohl die Forschung Zusammenhänge zwischen Prozess, Struktur, Eigenschaften und Leistung aufgezeigt hat, ist das systematische Verständnis, das einzelne Prozessschritte mit der späteren Funktionalität der Elektroden verknüpft, weiterhin begrenzt. Ziel von TP19 war es, diese Lücken zu schließen und einen wissensbasierten Ansatz zur Herstellung von AWE-Anoden zu entwickeln, der Prozessparameter direkt mit der Elektrodenleistung verknüpft.