FOR 2397:  Multiskalen-Analyse komplexer Dreiphasensysteme

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276655287

Gasdiffusionselektroden (GDE) sind komplexe Funktionsmaterialien, die eine Schlüsselkomponente in verschiedenen technisch bedeutsamen elektrochemischen Prozessen wie Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien sind. Im Hinblick auf die Herausforderungen der Energiewende kommt der Entwicklung und Herstellung dieser Funktionsmaterialien eine herausragende Bedeutung zu. In der beantragten Forschergruppe sollen beispielhaft GDE für die Sauerstoffreduktion an Silber- Katalysatoren in alkalischem Elektrolyt untersucht werden. Zu den vielfältigen Anforderungen an derartige Elektroden gehören eine hohe elektrokatalytische Aktivität, ein geringer elektronischer Widerstand sowie eine hohe chemische und mechanische Stabilität. Der Herstellprozess einer GDE muss daher so gestaltet werden, dass die genannten Eigenschaften im Produkt in optimaler Kombination erreicht werden. Dabei kommt neben der Auswahl des Elektrokatalysators der Gestaltung der Morphologie des Porensystems im Hinblick auf eine optimale Zugänglichkeit für Gase (hydrophob) und Flüssigkeiten (hydrophil) eine besondere Bedeutung zu, da die Ausdehnung der Dreiphasengrenze, an der die elektrochemische Reaktion stattfindet, maximiert werden muss. Eine detaillierte Beschreibung der Vorgänge in GDE war bisher nur eingeschränkt möglich. Dies liegt an der Komplexität und Vielzahl der ablaufenden Vorgänge auf unterschiedlichsten Skalen und insbesondere an bisher fehlenden Möglichkeiten zur ortsaufgelösten in situ und in operando Beobachtung der Prozesse sowie an der fehlenden physikalisch-chemisch fundierten Modellierung auf verschiedenen Skalen. Für ein umfassendes Verständnis und damit eine wissensbasierte, gezielte Optimierung von Herstellung und Funktionsweise von GDE ist eine strukturierte Zusammenarbeit von unterschiedlichen Fachrichtungen essentiell. Die geplante Forschergruppe bringt mit fundierten Kompetenzen im Bereich der Elektrodenpräparation (Turek, Roth), der Tomographie (Manke), der mesoskaligen Modellierung von Phasenverteilung und Transport (Nieken), der Mikroelektrochemie (Schuhmann) sowie der elektrochemischen Analyse und Modellierung von Mikrokinetik (Vidakovic- Koch) und Makrokinetik (Turek, Krewer) erstmals alle erforderlichen Methoden zusammen, um die komplexe Interaktion von Reaktions- und Transportprozessen in Gasdiffusionselektroden und ihren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Elektroden zu verstehen und quantitativ zu beschreiben. Durch diese Kombination experimenteller und modelltheoretischer Methoden soll das Verhalten und die Herstellung von Gasdiffusionselektroden so umfassend charakterisiert werden, dass auf dieser Basis in der zweiten Projektphase GDE für unterschiedliche technisch relevante Einsatzbereiche mit deutlich gesteigerter spezifischer Leistung hergestellt und erprobt werden können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• 3D-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Operando-Abbildung der Elektrolyt-Verteilung (Antragsteller Manke, Ingo )
• Dynamische Zustandsdiagnose Poröser Gasdiffusionselektroden (Antragstellerin Krewer, Ulrike )
• Herstellung und Charakterisierung gezielt strukturierter Elektroden als Modellsysteme (Antragstellerin Roth, Christina )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Turek, Thomas )
• Mikroelektrochemische Untersuchung der Sauerstoff- und CO2 Reduktion an Gasdiffusionselektroden (Antragsteller Schuhmann, Wolfgang )
• Modellgestützte Analyse der Kinetik der Sauerstoff- und CO2-Reduktion auf idealisierten Silberelektroden (Antragstellerin Vidakovic-Koch, Tanja )
• Modellierung der Elektrolytverteilung in repräsentativen Volumina (Antragsteller Nieken, Ulrich )
• Stationäre Modellierung der Überspannung an Ag-GDE bei Reduktionen in wässrigem Elektrolyt (Antragsteller Turek, Thomas )
• Zentralprojekt - Herstellung und Charakterisierung technischer Silberelektroden (Antragsteller Turek, Thomas )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Thomas Turek